CN102213143A - 用于风力发电设备的控制装置及相应的风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于风力发电设备的控制装置以及一种带有该控制装置的风力发电设备，该风力发电设备带有一个电力系统(19)和一个包括多个转子叶片(9，10，11)的转子(5)，该转子(5)由风(7)驱动并且将转子机械功率(T)传送给电力系统(19)，该电力系统将转子机械功率的至少一部分转化为电功率(P)，该控制装置包括一个配属于至少一个转子叶片的叶片传感器器件(41)，该叶片传感器器件测量所述至少一个转子叶片的与描述转子(5)处的风(7)的风场的至少一个特征值有关的至少一个物理性质，并且提供至少一个表征该至少一个物理性质的叶片传感器信号(23)，以及一个估算单元(21)，该估算单元应用所述至少一个叶片传感器信号(23)确定电功率估算值(PE)。

Description

用于风力发电设备的控制装置及相应的风力发电设备
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电设备的控制装置，该风力发电设备带有一个电力系统和一个包括多个转子叶片的转子，该转子由风驱动并且将转子机械功率传送给电力系统，该电力系统将转子机械功率的至少一部分转化为电功率，该控制装置带有一个配属于至少一个转子叶片的叶片传感器器件，该叶片传感器器件测量所述至少一个转子叶片的与描述转子处的风的风场的至少一个特征值有关的至少一个物理性质，并且提供至少一个表征该至少一个物理性质的叶片传感器信号。此外，本发明涉及一种用于控制风力发电设备运行的方法。
背景技术
欧洲专利申请第09013565.8号公开了一种设置用于包括带有两个或更多的叶片的转子的风力发电设备中的系统，该系统用于测量风速场，其中，通过测量物理性质在至少一个转子叶片上获得至少一个传感器信号，该物理性质表征风速场的至少一个特征值。为多种风况建立一个表格，其将至少一个传感器信号与用于风速场的至少一个特征值的数值相关联。借助搜索单元根据为了当前风况所给出的数值从表格中确定一个用于风速场的至少一个特征值的数值，为了当前风况所给出的数值表征至少一个传感器信号。
由风力发电设备产生的电功率对风力发电设备制造商和风力发电设备运营商均具有较大吸引力和经济意义。由风力发电设备瞬间产生的功率一方面取决于设备机器部件(包括转子叶片、传动系、电力部件和这些设备部件的控制装置)的状态，以及另一方面取决于风的特征值(如风强度、相对于转子定向的风向和在转子扫过的面积区域内的水平和垂直风切)。这些特征值对于风力发电设备的位置来说是特有的，并且既与其地理位置也与大气条件有关。此外，如果在风力发电园中有多个风力发电设备紧密地竖立在一起，风力发电设备会由于其风影或背风区附加地影响其它风力发电设备产生电功率。
通常构成制造商和运营商之间合同义务一部分的预计电功率通常通过由制造商预先规定的一般条件(如风力发电设备位于平坦的地基上在持续的风中运行)定义。如果实际产生的功率与预计功率不一致，就会在两方之间产生争议。因此，制造商和运营商均需要这样一种方法，该方法可以准确并且可靠地估计风力发电设备的运行状态，以便能够检测风力发电设备的实际功率是否与制造商的规格说明相一致。
在风力发电设备的使用寿命内对其瞬间产生的电功率的准确估算还附加地为运营商提供这样的优点，即通过将电功率估算值与电功率测量值进行比较来鉴别风力发电设备机械部件中的问题，尤其当估算值和测量值的偏差超出了一个预先确定的范围时(电功率估算值也可以称为预计电功率)。
目前既不能瞬间地也不能在一个时间段内足够准确地测定在一确定位置上的电功率估算值，因为在转子扫过的面积内的风的特征值不是已知的。布置在吊舱上端部的测量装置(如风速计和风向标)非常不准确，因为它们只在单一的空间点上而不是在被转子扫过的面积上测量风。此外，通过吊舱和由每个叶片引起的涡流在风场中形成失真，这阻碍了准确的测量。
高质量的风数据可以通过气象杆提供。然而，气象杆和风力发电设备之间的距离造成了在转子处的风速的未知偏差，由此阻碍了准确的电功率估算值的计算。在这方面将更有问题的是，如果只将一个唯一的或很少的气象杆用在很大的、可能包括几百个分布在很大面积中的风力发电设备的风力发电园中。尽管通过使用大量气象杆来减小气象杆和风力发电设备之间的距离可能会缓和该问题，但为此所需的耗费过大并且过于昂贵。另一个缺点在于，每个气象杆只能在垂直方向上测量风切，因此水平风切仍旧是未知的。
尽管安装在吊舱上的光学系统，如LIDAR系统(激光探测及测距系统，英语：Light detection and ranging)可以穿过转子轮毂进入形成的风场中测量，但该测量只能沿激光束进行，因此从测量位置出发可扫描到的区域局限为一个锥形，其与被转子扫过的面积的截面只代表了该扫过面积的一部分。因此只能够不充分地在被转子扫过的面积上测量风的特征值。
由此存在这样的期望，创造一种优选随时可以确定风力发电设备的准确电功率估算值的可能性。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，构成风力发电设备的尽可能准确的电功率估算值。优选也应可以将该估算值与风力发电设备的实际电功率进行比较。
该技术问题按本发明通过一种用于风力发电设备的控制装置和一种控制风力发电设备运行的方法解决。该风力发电设备带有一个电力系统和一个包括多个转子叶片的转子，该转子由风驱动并且将转子机械功率传送给所述电力系统，该电力系统将所述转子机械功率的至少一部分转化为电功率，该控制装置
-带有一个配属于至少一个所述转子叶片的叶片传感器器件，该叶片传感器器件测量所述至少一个转子叶片的与描述所述转子处的风的风场的至少一个特征值有关的至少一个物理性质，并且提供至少一个表征该至少一个物理性质的叶片传感器信号，并且
-带有一个估算单元，该估算单元应用所述至少一个叶片传感器信号确定电功率估算值。
因为转子叶片的至少一个物理性质与风场的至少一个特征值有关，所以基于直接来源于被转子扫过的面积中的信息来确定转子的电功率估算值。因此不会再出现由于扫过的面积和测量地点之间的距离产生的误差。此外，转子叶片环形围绕被转子扫过的面积，因此在扫过面积处的风场上有大量信息可用。这使得电功率估算值相对准确。
优选也参考风力发电设备的一个或多个性质用于确定电功率估算值。而因为这些性质是已知的，所以参考它们并无难度。这些性质例如可以包括转子和/或至少一个转子叶片的空气动力学和/或机械性质、传感器器件的位置、传动系的机械和/或动力学性质和/或电力系统的电力性质。
风场描述转子处(尤其在被转子扫过的面积中或其区域内)的风的性质。风的性质尤其包括风速、风向、水平风切和垂直风切。风场的至少一个特征值表征风的至少一个性质，尤其以空间平均值的形式，该空间平均值基于在被转子扫过的面积中或其区域内位于不同位置上的风的至少一个性质的数值构成。风场的至少一个特征值优选表征风速和/或风向和/或水平风切和/或垂直风切。风场是或包括例如风速场。
按照本发明的一种扩展设计，估算单元包括一个风场估算器，该风场估算器应用所述至少一个叶片传感器信号确定转子机械功率的估算值，以及一个功率估算器，该功率估算器基于所述转子机械功率估算值确定电功率估算值。风场估算器优选应用所述至少一个叶片传感器信号确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值，并且优选基于该至少一个表征风场的至少一个特征值的数值确定转子机械功率估算值。按照本发明的一种设计方案，所述至少一个表征风场的至少一个特征值的数值是至少一个表征风场的至少一个特征值的估算值。
上述方法尤其将电功率估算值的确定分为多个步骤。在第一步中，优选确定转子机械功率估算值，并且在第二步中优选基于该转子机械功率估算值确定电功率估算值。由于确定电功率估算值较复杂，这种方法被证明是有利的。因为在第一步中尤其关注从风的功率到转子机械功率的转化，并且在第二步中尤其关注从转子机械功率到电功率的转化，所以能够为这些步骤分别采用合适的建模。在第一步中，优选应用至少一个叶片传感器信号和/或所述至少一个转子叶片的测得的至少一个物理性质确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值。这样是有利的，因为该至少一个数值描述了转子处的风，并且转子机械功率与转子处的风有关。因此，所述第一步骤优选分为多个子步骤。在第一子步骤中，优选描述转子处的风，并且在第二子步骤中，优选根据转子处的风确定转子机械功率。
优选在第一子步骤中应用至少一个叶片传感器信号和/或所述至少一个转子叶片的测得的至少一个物理性质确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值，并且在第二子步骤中优选尤其根据该至少一个数值确定转子机械功率。因此，可以分别为各子步骤采用合适的建模。但在此描述的方法不应理解为限制，因此可以通过其它途径确定电功率估算值。
至少一个表征风场的至少一个特征值的数值优选表征风速和/或风向和/或水平风切和/或垂直风切，尤其是在被转子扫过的面积处。优选可以由至少一个表征风场的至少一个特征值的数值推导出至少一个用于风场的至少一个特征值的数值或估算值。至少一个表征风场的至少一个特征值的数值优选构成至少一个用于风场的至少一个特征值的数值或估算值。
风场估算器例如应用一种或至少一种用于系统识别的方法计算至少一个表征风场的至少一个特征值的数值和/或转子机械功率估算值。按照本发明的一种设计方案，风场估算器应用一次或至少一次MBC变换(多叶片坐标变换，Multi-Blade-Coordinate-Transformation)确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值和/或转子机械功率估算值。至少一次MBC变换例如可包括一次1p-MBC变换或一次1p-MBC变换和一次2p-MBC变换。
估算单元优选包括一个或至少一个风场表格，其中为不同风况存储有表征风场的至少一个特征值的数值和用于估算转子机械功率的数值，其中，用于估算转子机械功率的数值尤其与表征风场的至少一个特征值的数值相关联。风场估算器优选应用所述风场表格确定转子机械功率估算值。风场估算器尤其(至少)根据所述至少一个叶片传感器信号或从该信号推导出的数值或数组确定一个存储在风场表格中的用于估算转子机械功率的数值。风场估算器基于从风场表格中确定的用于估算转子机械功率的数值构成转子机械功率估算值。优所述从风场表格中确定的数值已经相当于转子机械功率估算值。优选借助例如风场估算器具有的搜索单元从风场表格中确定用于估算转子机械功率的数值。风场表格尤其存储或保存在风场估算器中。可例如通过建模计算出和/或通过搜索确定存储在风场表格中的数值。风场表格尤其是提前生成并且因此是预先给定的，因此其可被风场估算器使用。
叶片传感器器件尤其多次相继地，优选连续地测量至少一个物理性质。风场估算器优选相继确定多个用于估算转子机械功率的数值并且通过取这些数值的时间平均值来构成转子机械功率估算值，因此该估算值代表估算的转子机械功率的时间平均值。优选在一个预先选定的时间段内求平均值。转子机械功率估算值优选构成连续的平均值。
功率估算器例如应用一个或至少一个用于系统识别的方法计算电功率估算值。估算单元优选包括一个功率表格，其中为所述风力发电设备的不同运行状况存储有与转子机械功率有关的运行参数和用于估算电功率的功率数值，其中，用于估算电功率的功率数值优选和与转子机械功率有关的运行数值相关联。功率估算器优选应用所述功率表格确定电功率估算值。功率估算器尤其(至少)根据转子机械功率估算值确定一个存储在功率表格中的用于估算电功率的数值。功率估算器基于从功率表格中确定的用于估算电功率的数值构成电功率估算值。优所述从功率表格中确定的数值已经相当于电功率估算值。功率表格尤其存储或保存在功率估算器中。可例如通过建模计算出和/或通过搜索确定存储在功率表格中的数值。功率表格尤其是提前生成并且因此是预先给定的，因此其可被功率估算器使用。
与转子机械功率有关的运行数值优选至少包括转子机械功率值。但附加地，这些运行数值也可以包括转子转速值和/或转子加速度值和/或环境温度值和/或电功率额定值和/或其它值。存储在功率表格中的数值优选表征风力发电设备的稳定运行状态，在这些运行状态中转子转速分别是恒定或基本上恒定的。但在不同的稳定运行状态下转子转速会不同。补充地或可选地，一个或几个存储在功率表格中的数值可以表征风力发电设备的至少一个加速状态和/或至少一个减速状态，其中，转子转速在加速状态中升高并且在减速状态中降低。
按照本发明的一种扩展设计，功率估算器基于至少一个表征风场的至少一个特征值的数值确定电功率估算值。因为优选根据风况控制或调节电力系统，因此这例如会是有利的。因此，风况会影响转子机械功率到电功率的转化。
优选根据至少一个电功率额定值尤其借助控制单元调节电功率。优选设置一个通信单元，其可以查询所述至少一个电功率额定值并且提供给估算单元和/或功率估算器。该通信单元优选从控制单元查询所述至少一个额定值。所述至少一个额定值尤其包括有功电功率额定值和/或无功电功率额定值。估算单元和/或功率估算器优选附加地基于所述至少一个电功率额定值确定电功率估算值。因为优选通过至少一个额定值影响转子机械功率到电功率的转化，因此这例如会是有利的。尤其保存有至少一个额定值的控制单元优选由风力发电设备的主控制设备(一般的设备控制)或通过该控制设备的一部分构成。
按照本发明的一种设计方案设置有一个空气传感器器件，该空气传感器器件测量风力发电设备处空气的至少一个物理性质，并且提供至少一个表征空气的至少一个物理性质的空气传感器信号。尤其是风场估算器附加地应用所述至少一个空气传感器信号确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值和/或转子机械功率估算值，因此可以改善这些数值的准确性。空气传感器器件优选具有一个测量空气密度的空气密度传感器和/或一个测量空气温度的温度传感器，因此空气的至少一个物理性质包括空气密度和/或空气温度。
按照本发明的一种设计方案设置有一个转子传感器器件，借助该器件测量转子的至少一个物理性质并且提供至少一个表征该转子的至少一个性质的转子传感器信号。转子的至少一个物理性质优选包括转子角和/或转子的旋转速度(转子速度)和/或至少一个转子叶片的叶片角和/或转子加速度。
优选通过至少一个运行状态参数表征风力发电设备的运行状态，该运行状态参数包括空气的至少一个物理性质和/或转子的至少一个物理性质。优选借助空气传感器器件和/或借助转子传感器器件测量所述至少一个运行状态参数。优选通过至少一个运行状态参数信号表征所述至少一个运行状态参数，该运行状态参数信号尤其包括至少一个空气传感器信号和/或至少一个转子传感器信号。
按照本发明的一种扩展设计，为不同的风力发电设备运行状态在风场表格中附加地存储有至少一个运行状态参数的数值，其中，用于估算转子机械功率的数值优选附加地与用于至少一个运行状态参数的数值相关联。尤其是风场估算器应用至少一个叶片传感器信号和至少一个运行状态参数信号确定一个存储在风场表格中的用于估算转子机械功率的数值。优选借助搜索单元确定用于估算转子机械功率的数值。
叶片传感器器件优选布置在转子上。叶片传感器器件尤其布置在至少一个转子叶片上和/或与转子叶片相连的转子轮毂上。
所述至少一个转子叶片的至少一个物理性质优选为或包括所述至少一个转子叶片的至少一个机械性质。所述至少一个性质尤其是或包括所述至少一个转子叶片的至少一个变形，其优选是一个或至少一个弹性变形。
按照本发明的一种扩展设计，叶片传感器器件包括至少一个测量所述至少一个转子叶片的应变的应变传感器和/或至少一个测量所述至少一个转子叶片的扭转的扭转传感器和/或至少一个测量所述至少一个转子叶片的弯度的弯度传感器。应变传感器和/或扭转传感器和/或弯度传感器尤其分别布置在所述至少一个转子叶片或转子轮毂的至少一个预先确定的位置上。因此，所述至少一个转子叶片的至少一个物理性质包括所述至少一个转子叶片尤其在所述至少一个预先确定的位置上的应变和/或扭转和/或弯度。
按照本发明的一种设计方案设置有一个用于电功率的测量器件，借助该测量器件测量电功率当前值。因此可以提供电功率估算值和电功率当前值用于评估。尤其设置有一个数据采集系统，其接收电功率估算值和电功率当前值。这些数值优选被数据采集系统采集和/或至少暂时保存在该数据采集系统中。该数据采集系统优选计算电功率估算值和电功率当前值之间的差值和/或商。但该差值和/或商的计算也可以在其它位置上或外部进行。数据采集系统例如也可以成为数据采集单元。
按照本发明的一种扩展设计设置有一个用于机械功率的测量器件，借助其测量转子机械功率当前值。因此可以提供转子机械功率估算值和转子机械功率当前值用于评估。尤其由数据采集系统接收转子机械功率当前值和转子机械功率估算值。这些数值优选被数据采集系统采集和/或至少暂时保存在该数据采集系统中。该数据采集系统优选计算转子机械功率估算值和转子机械功率当前值之间的差值和/或商。但该差值和/或商的计算也可以在其它位置上或外部进行。用于机械功率的测量器件和用于电功率的测量器件也可以组合在一个测量器件中。
数据采集系统优选与风力发电设备的主控制设备连接。尤其是该数据采集系统由主控制设备或其一部分构成。按照本发明的一种扩展设计设置有一个SCADA系统(监控和数据采集，Supervisory Control and Data Acquisition)，借助其尤其可以将表征风力发电设备运行状态的信息传送给一个或多个优选设置在风力发电设备外部的数据处理系统。数据处理系统优选与风力发电设备，尤其与SCADA系统和/或主控制设备耦连。SCADA系统优选由主控制设备或其一部分构成。数据采集系统优选与该SCADA系统连接或包括在该SCADA系统中。因此，数据采集系统也可以称为SCADA单元。按照本发明的一种扩展设计，SCADA系统包括一个中央计算单元，其例如通过局域网络与风力发电设备的接口、气象学测量系统和/或网络传输装置连接。因此，控制装置和/或估算单元和/或风场估算器和/或功率估算器可以集成在风力发电设备的普通状态监控装置(英语：condition monitoring)中。一种SCADA系统例如由DE 10 2007 026 176 A1已知。
此外，本发明涉及一种风力发电设备，
-带有一个电力系统和一个包括多个转子叶片的转子，该转子由风驱动并且将转子机械功率传送给所述电力系统，该电力系统将所述转子机械功率的至少一部分转化为电功率，并且
-带有一个按本发明的控制装置。该风力发电设备可以按照所有涉及按本发明的控制装置所描述的设计方案进行扩展设计。风力发电设备尤其包括一个可控制风力发电设备运行的主控制设备。控制装置完全或部分地集成在该主控制设备中。
转子通过风绕转子轴线旋转。尤其是转子可绕转子轴线旋转地支承在风力发电设备的机架上。机架优选与吊舱固定连接和/或构成该吊舱或其一部分。机架尤其布置在塔的上端部处。
按照本发明的一种扩展设计，转子和/或机架可绕摇转轴线旋转，该摇转轴线优选横向于或基本上横向于转子轴线延伸。摇转轴线优选沿垂直方向或基本上沿垂直方向延伸。转子和/或机架绕摇转轴线的旋转通过摇转角描述，该摇转角尤其与转子轴线相对于风向的定向有关。机架优选可绕摇转轴线旋转地支承在塔上。
转子优选包括两个或多个，尤其是三个或至少三个分别沿一条叶片轴线延伸的转子叶片。叶片轴线优选横向于或基本上横向于转子轴线延伸。此外，转子优选包括一个转子轮毂，转子叶片固定在该转子轮毂上。尤其是转子叶片分别借助一个叶片轴承可绕其各自的叶片轴线旋转地支承在转子轮毂上。优选为每个转子叶片设置一个叶片角调节驱动器，各转子叶片可借助叶片角调节驱动器绕其叶片轴线旋转。转子叶片绕其叶片轴线的旋转分别通过一个叶片角描述，尤其是各转子叶片相对于风的迎角与该叶片角有关。
电力系统优选包括至少一个发电机，其机械地与转子耦连并且由转子驱动。转子尤其借助其转子轮毂与转子轴连接，转子借助转子轴与电力系统，尤其与至少一个发电机机械地耦连。这种耦连可以通过中间连接一个或多个传动装置实现。电力系统优选与电网耦连，该电网优选是外部网络。电力系统尤其可以向该网络中发送电功率。
此外，本发明涉及一种用于控制风力发电设备运行的方法，该风力发电设备带有一个电力系统和一个包括多个转子叶片的转子，该转子由风驱动并且将转子机械功率传送给所述电力系统，该电力系统将所述转子机械功率的至少一部分转化为电功率，其中，测量所述至少一个转子叶片的与描述所述转子处的风的风场的至少一个特征值有关的至少一个物理性质，并且其中，应用测得的至少一个物理性质确定电功率估算值。按本发明的方法优选通过按本发明的控制装置和/或按本发明的风力发电设备实施，并且可以按照所有涉及这些所描述的设计方案进行扩展设计。
按照本发明的一种扩展设计，应用测得的至少一个物理性质确定转子机械功率估算值。此外，基于转子机械功率估算值尤其确定电功率估算值。优选应用测得的至少一个物理性质确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值和转子机械功率估算值，优选基于至少一个表征风场的至少一个特征值的数值确定该转子机械功率估算值。按照本发明的一种设计方案，所述至少一个表征风场的至少一个特征值的数值是至少一个表征风场的至少一个特征值的估算值。
例如应用一个或至少一个用于系统识别的方法确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值和/或转子机械功率估算值。按照本发明的一种设计方案，应用一个或至少一个MBC变换(多叶片坐标变换)确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值和/或转子机械功率估算值。至少一次MBC变换例如可包括一次1p-MBC变换或一次1p-MBC变换和一次2p-MBC变换。
优选为不同风况在风场表格中存储表征风场的至少一个特征值的数值和用于估算转子机械功率的数值，其中，用于估算转子机械功率的数值尤其与表征风场的至少一个特征值的数值相关联。优选应用所述风场表格确定转子机械功率估算值。优选应用测得的至少一个物理性质确定存储在风场表格中的用于估算转子机械功率的数值。存储在风场表格中的数值例如可通过建模计算出和/或通过搜索确定。
尤其多次相继地，优选连续地测量至少一个物理性质。优选相继确定多个用于估算转子机械功率的数值，其中，通过取这些数值的时间平均值来构成转子机械功率估算值，因此该估算值代表估算的转子机械功率的时间平均值。优选在一个预先选定的时间段内求平均值。转子机械功率估算值优选构成连续的平均值。
例如应用一个或至少一个用于系统识别的方法计算电功率估算值。优选在一个功率表格中为所述风力发电设备的不同运行状况存储与转子机械功率有关的运行参数和用于估算电功率的功率数值，其中，用于估算电功率的功率数值优选和与转子机械功率有关的运行数值相关联。优选应用功率表格确定电功率估算值。可例如通过建模计算出和/或通过搜索确定存储在功率表格中的数值。
按照本发明的一种扩展设计，附加地基于所述至少一个表征风场的至少一个特征值的数值确定电功率估算值。
优选根据至少一个电功率额定值调节电功率。优选查询所述至少一个电功率额定值，所述至少一个额定值尤其包括有功电功率额定值和/或无功电功率额定值。优选附加地基于所述至少一个电功率额定值确定电功率估算值。
按照本发明的一种设计方案，测量风力发电设备处空气的至少一个物理性质。优选在转子的位置上进行测量。优选附加地应用测得的空气的至少一个物理性质确定至少一个表征风场的至少一个特征值的数值和/或转子机械功率估算值。对空气的至少一个物理性质的测量尤其包括测量空气密度和/或空气温度，因此空气的至少一个物理性质优选包括空气密度和/或空气温度。
按照本发明的一种设计方案，测量转子的至少一个物理性质。转子的至少一个物理性质优选包括转子角和/或转子的旋转速度和/或至少一个转子叶片的叶片角和/或转子加速度。
优选通过至少一个运行状态参数表征风力发电设备的运行状态，该运行状态参数包括空气的至少一个物理性质和/或转子的至少一个物理性质。优选测量所述至少一个运行状态参数。测得的至少一个运行状态参数尤其包括测得的空气的至少一个物理性质和/或测得的转子的至少一个物理性质。
按照本发明的一种扩展设计，在风场表格中附加地为不同的风力发电设备运行状态存储有至少一个用于运行状态参数的数值，其中，用于估算转子机械功率的数值优选附加地与用于至少一个运行状态参数的数值相关联。优选应用测得的至少一个物理性质和测得的至少一个运行状态参数确定存储在风场表格中的用于估算转子机械功率的数值。
按照本发明的一种扩展设计，对至少一个转子叶片的至少一个物理性质的测量包括尤其在至少一个转子叶片的各自预先确定的位置上的应变和/或扭转和/或弯度的测量。因此，所述至少一个转子叶片的至少一个物理性质优选包括所述至少一个转子叶片尤其在所述至少一个预先确定的位置上的应变和/或扭转和/或弯度。
优选测量电功率当前值。在这种情况下，尤其计算电功率估算值和电功率当前值之间的差值和/或商。
按照本发明的一种扩展设计，测量转子机械功率当前值。在这种情况下，尤其计算转子机械功率估算值和转子机械功率当前值之间的差值和/或商。
附图说明
以下参照附图借助优选实施形式阐述本发明。在附图中：
图1是按本发明的风力发电设备的估算单元的示意框图；
图2是风力发电设备的立体部分视图；
图3是风力发电设备的另一个立体部分视图；
图4是图1示出的风场估算装置的一种简单设计方案的第一部分的示意框图；
图5是按一种优选设计方案的风场估算装置的第一部分的示意框图；
图6是按另一种优选设计方案的风场估算装置的第一部分的示意框图；
图7是由图1示出的风场估算装置的第二部分的示意框图；
图8是带有校正环节的风场估算装置的第二部分的示意框图；并且
图9是带有搜索单元的风场估算装置的第二部分的示意框图。
具体实施方式
图2和3示出了按本发明的风力发电设备1的不同视图，该风力发电设备1包括塔2，吊舱3(机架)可绕摇转轴线4转动地支承在塔2上端，其中，由摇转角Γ表征吊舱3绕摇转轴线4的旋转。转子5可绕转子轴线6旋转地支承在吊舱3上，并且通过风7绕转子轴线6旋转，其中，由转子角θ表征转子5的旋转位置。转子5包括转子轮毂8，其上固定有三个转子叶片9、10和11，它们分别沿其各自的叶片轴线12、13或14从转子轮毂8延伸出去。转子叶片12、13和14分别横向于转子轴线6延伸并且相互间的夹角为120°。转子叶片通过叶片轴承15绕其叶片轴线可旋转地支承在转子轮毂8上，其中，分别通过叶片角βi表征各转子叶片绕其叶片轴线的旋转。在此，角标i表征各转子叶片，其中i＝1表征转子叶片9，i＝2表征转子叶片10并且i＝3表征转子叶片11。为了使转子叶片绕其叶片轴线旋转，设置有叶片角调节驱动器16，其优选布置在叶片轴承15的区域内。通过某一转子叶片的位置，在此是转子叶片9相对于参考位置44的位置描述转子角θ。因此按照图2示出的转子叶片9的瞬时位置，转子角θ＝0。
在吊舱3中布置有发电机17，其为风力发电设备1的电力系统19的一部分并且通过中间连接传动装置35由转子5驱动。转子5通过转子轴18与传动装置35，该传动装置35在从动侧与发电机轴36连接。因此，转子轴18、传动装置35和发电机轴36构成风力发电设备1的传动系。借助也称为控制单元20的主控制设备控制风力发电设备1，该控制单元包括用于估算由电力系统19产生的电功率P的估算单元21。借助控制单元20优选在有功功率和无功功率方面调节电功率P。为了调节电功率P，控制单元20控制电力系统19以及叶片角调节驱动器16。主控制设备20还包括SCSDA系统51，借助其可将信息传送给一个或多个数据处理系统52，该数据处理系统与风力发电设备1相连，并且尤其设置在该风力发电设备的外部。
在图1中详细示出的估算单元21包括一个风场估算装置22，其带有风场估算器32和多个测量器件41、42和43，这些测量器件基于测得的物理参数提供叶片传感器信号23、转子传感器信号24和大气信号(空气传感器信号)25，并且传送给风场估算器32。在此，叶片传感器信号23表征至少一个转子叶片的物理性质，转子传感器信号24表征转子5的性质并且空气传感器信号25表征大气或空气的物理性质。测量器件41也称为叶片传感器器件、测量器件42也称为转子传感器器件并且测量器件43也称为空气传感器器件。
估算单元21应用信号23、24和25来确定风场特征参数的估算值和由转子5通过转子轴18传送的转子机械功率T的估算值TE。在此，风场描述了在由转子5扫过的面积F内或在该区域内的风7。估算值被传送到估算单元21的功率估算器26上。
估算单元21的通信单元27尤其通过控制单元20查询电功率额定值PS并且将其传送给功率估算器26，该功率估算器26基于额定值PS和转子机械功率估算值TE确定电功率估算值PE并且传送给数据采集系统28。此外，测量器件29尤其在电力系统19中测量电功率当前值P并且将其传送给数据采集系统28。该测量器件29优选尤其在传动系中也测量转子机械功率当前值T并且将其传送给数据采集系统28。数据采集系统28收集和/或保存电功率估算值PE和电功率当前值P并且计算这两个值之间的差。因此，测量器件29优选具有一个用于电功率的、可测量电功率当前值P的测量器件和一个用于机械功率的、可测量转子机械功率当前值T的测量器件。估算单元21优选包括该测量器件29。此外，估算单元21也可以包括数据采集系统28。
风场的特征值尤其包括风速和/或风向和/或风切。风向优选包括在水平平面内的风向和/或在垂直平面内的风向。风切优选包括水平风切和/或垂直风切。因此，风场的特征值描述了在由转子5扫过的面积F内或在该区域内的风7的性质。
风场估算器32优选接收和/或采集以下数据：
-至少一个或每个转子叶片的叶片传感器信号23的数据(转子叶片数据)，
-转子传感器信号24的数据(转子数据)，其包括转子角θ和/或转子5的旋转速度Ω和/或至少一个或每个转子叶片的叶片角βi和/或优选也包括转子加速度dΩ/dt，
-空气传感器信号25的数据(大气数据)，其包括风力发电设备1处，尤其在转子5区域内的空气密度ρ和/或空气温度Θa。
测量器件42优选包括转子传感器45，其可以测量转子角θ和/或旋转速度Ω和/或至少一个叶片角βi和/或优选也测量转子加速度dΩ/dt。此外，测量器件43优选包括一个可测量空气密度ρ的空气密度传感器46和/或可测量空气温度Θa的空气温度传感器47。
由信号23、24和25或由它们的数据确定风场特征值的估算值。这些估算值包括风速和/或风向和/或水平风切和/或垂直风切。此外确定转子机械功率估算值TE，转子5将该值传送给风力发电设备1的传动系。这些估算值优选通过信息导线30传送给风力发电设备1的控制单元20并且可用于控制。这些估算值优选也传送给数据采集系统28，因此其能被该系统评估。
转子机械功率估算值TE被传送给功率估算器26，该功率估算器应用这些信息来计算电功率估算值PE。该估算值PE表征当转子机械功率相当于估算值TE时应由电力系统19产生的电功率。
按照一种设计方案，功率估算器26基于给出的转子机械功率估算值TE应用通过至少一种系统识别方法获取的信息(至少)计算电功率估算值PE。按照另一种设计方案，功率估算器26应用电力系统19的一个模型来获得电功率估算值PE。
按照一种优选的设计方案，转子机械功率估算值TE、转子5的旋转速度Ω和大气温度(空气温度)Θa在一个预先选定的时间段内求时间平均值(例如以连续的时间平均值的形式)并且随即传送给功率估算器26。附加地，查询电功率额定值PS的通信单元27将关于当前由控制单元20分配的电功率额定值PS的信息传送给功率估算器26，其中，该额定值优选既包括有功功率也包括无功功率。该信息同样在一个时间段上求时间平均值，该时间段相当于或基本上相当于预先选定的、对机械数据求平均值的时间段。功率估算器26应用转子机械功率估算值TE和电功率额定值PS来计算电功率估算值PE。
按照一种设计方案，功率估算器26应用表格53(功率表格)或相同功能的工具来建立关系，以便当风力发电设备1在不同条件下运行时保持电功率估算值。为了简化，分别在风力发电设备1的运行处于稳定状态时测定保存的关系。然而，也可以在风力发电设备1的运行处于加速状态和/或减速状态时测定一部分保存的关系，只要由此产生的附加成本能被接受。保存在表格53中的电功率估算值(也就是电功率期待值)在功能上与稳定的转子机械功率、环境温度(优选空气温度)、有功和无功功率的调节(优选额定值)有关。按照另一种设计方案，表格53在功能上与以下参数有关：稳定的转子机械功率、转子速度、环境温度、有功和无功功率的调节以及上述参数的变化率。
按照另一种设计方案，功率估算器26应用电力系统19的一个模型基于准确或近似的控制方程或基于电力系统19的一个或多个部件的模型来计算电功率估算值PE。也可以将基于表格和基于模型的计算相结合。
如果电力系统19对于可测量的附加参数(如发电机绕组的温度和/或功率电子器件的温度)较敏感，则优选这样设计功率估算器26，使得其附加地在功能上与这些可测量的附加参数有关。在风力发电设备1运行时测量这些可测量的附加参数，并且由功率估算器26应用，以便计算电功率估算值PE。
若电功率估算值PE由功率估算器26确定，则功率估算器26将关于该估算值的信息传送给数据采集系统28，该系统保存并且处理信息并且在必要时将信息传递给终端用户(如风力发电设备运营商)。此外，可将信息传递给另外的数据处理系统52。为此，数据采集系统28与SCADA系统51连接并且因此也可称为SACDA单元。数据采集系统28还从风场估算器32接收转子机械功率估算值TE。按照一种优选的设计方案，通过测量器件29测量转子机械功率当前值和电功率当前值，其中，将关于这些值的信息传递给数据采集系统28。这些信息也可以称为SCADA信息。转子机械功率当前值的测量例如可以由此进行，即，测量在传动装置35和发电机17之间传递的转矩。可选地，也可以在转子轴或在传动系的其它位置上测量当前的转子机械功率。为了测量转矩尤其使用转矩传感器，其优选布置在传动系中的轴上，如转子轴上或发电机轴上。转矩传感器例如包括可测量轴或布置在该轴上的测量体的变形的应变计。
借助数据采集系统28在电功率估算值和电功率当前值之间以及转子机械功率估算值和转子机械功率当前值之间进行比较。优选也通过设置在风力发电设备外部的可接收SCADA信息的单元进行比较。
如果电功率估算值和电功率当前值之间的差值的时间平均值超过了预先确定的第一阈值，则优选向终端用户发送第一信号，该信号显示出风力发电设备的传动系和/或电力部件的状态变差。如果电功率估算值和电功率当前值之间的差值的时间平均值超过了预先确定的第二阈值，则优选向终端用户发送第二信号，该信号显示出风力发电设备的传动系和/或电力部件的状态加剧变差或系统中存在错误。尤其第二信号也被传送给风力发电设备1的控制单元20。
风场特征值优选包括风速值在被转子扫过的面积内在空间上所求的平均值。因为平均值是在空间上构成的，因此数据的时间变化优选不会被求平均值影响。
参考图2引入了一个不随转子旋转的、吊舱固定的、带有坐标ξ、η、ζ的直角坐标系。ζ坐标沿转子轴线6指向并且由单位矢量e表征(粗体字母表示向量)。η坐标垂直向上指向并且ξ坐标沿水平方向指向。风场的第一特征值是平均风速Vm：
Vm ( t ) = 1 F ∫ ∫ V ( t ) dF ,
其中，F表示被转子扫过的面积，t表示时间并且V(t)表示时间t时在转子扫过的面积F上的风速。为了简化视图，以下省去了表征与时间有关的变量的详细标记“(t)”。
平均风速Vm包括分量V1、V2和V3，其中，V1指向方向ξ，V2指向方向η并且V3指向方向ζ。由这些分量可以直接在水平平面和垂直平面内计算风向：
χH＝arctan(V1/V3)
χV＝arctan(V2/V3)
角χH和χV表征风向与转子轴线6的偏差。在文献中，水平角χH也称为“摇转误差”并且通常出于控制目的力图将其值最小化。垂直角χV尤其也包含吊舱3的倾角，其构成几何上固定的值。通过倾角可以例如考虑到风力发电设备处的区域的地点实际情况。倾角在风力发电设备运行期间通常不可调节。这相应地也可适用于摇转角Γ。
风场的第二特征值是风场的第一水平力矩ψ1：
ψ 1 = 1 F ∫ ∫ V · e - V 3 V 3 ( ξ D ) dF ,
其中，D表示转子直径并且从转子轴线6出发测量ξ。参数ψ1与水平平面内的线性风切成正比，并且因此也可以称作水平风切。
风场的第三特征值是风场的第一垂直力矩φ1：
φ 1 = 1 F ∫ ∫ V · e - V 3 V 3 ( η D ) dF
其中，由转子轴线6出发测量η。参数φ1与垂直平面内的线性风切成正比，并且因此可也以称作垂直风切。
风场的高阶力矩构成附加的风场特征值。第二水平力矩ψ2是
ψ 2 = 1 F ∫ ∫ V · e - V 3 V 3 ( ξ D ) 2 dF
并且第二垂直力矩φ2是
φ 2 = 1 F ∫ ∫ V · e - V 3 V 3 ( η D ) 2 dF
风场估算装置22的叶片传感器器件41包括优选固定在转子叶片或转子轮毂内、内部、上或以其它方式固定的传感器。这些传感器产生与风场特征值有关的叶片角传感器信号23。
风场估算装置22尤其在应用一种系统识别方法的情况下使用至少一个叶片传感器信号23，该信号与风场的至少一个特征值有关。
按照一种优选的设计方案，该叶片传感器信号与在预设位置上沿至少一个转子叶片测量的该转子叶片的叶片应变或叶片弯度成正比。同样可以使用在叶片表面的预设位置上的空气压力或空气速度的测量，但其由于易受污染和易出故障而不是优选的。因此，传感器器件41优选包括至少一个应变传感器48和/或至少一个弯度传感器49。可以例如通过安装在叶片表面上或嵌入该叶片表面中的光学纤维、通过固定在叶片上的应变计或通过在螺栓(借助其在叶片轴承上固定叶片)上的应变测量来测量叶片应变。叶片的扭转力矩例如可由此确定，即，测量由配属的叶片角调节装置16施加的、用于将叶片固定在恒定的叶片角位置中的转矩。
叶片变形测量可例如通过设置在叶片内部的光学系统进行。这些光学系统例如可包括安装在转子内的摄像机，这些摄像机可以探测并且评估布置在转子叶片内的标记区的由叶片变形引起的位置偏差。叶片弯曲力矩例如可以由通过叶片应变测量获得的数值以及由叶片的已知几何形状推导出来。尽管只借助于一个转子叶片进行说明，但在此描述的测量可以在多个或每个转子叶片上进行。
参照图3，为了描述叶片传感器信号23引入随着转子旋转的、叶片固定的、带有坐标x、y和z的直角坐标系。x方向按图3沿转子轴线6延伸，轴z平行于叶片轴承15的旋转轴线，其与配属的叶片轴线14重合，并且方向y将构成右旋系统的坐标系补充完整。因为在此指的是叶片固定的坐标系，因此其可与叶片一起绕叶片轴线14旋转，所以由图3示出的坐标轴x和y的位置可能改变。
参照图4描述了风场估算装置22的一种简单的设计方案，其中，S表示传感器器件41布置在转子轮毂上或转子叶片上的传感器的叶片传感器信号，该传感器测量转子叶片的一个物理性质，其中，叶片传感器信号S与风场的至少一个特征值(用C表示)有关。当转子轴线6和风向之间存在错误定向或出现风切时，通过角θ描述的转子旋转产生叶片传感器信号S的周期变化，其与一个恒定值叠加。在这种上下文关系中，A表示周期变化的振幅，
Figure BDA0000053086780000181
表示出现最大值或振幅时的角θ，并且K表示信号的恒定值。因此，A、K和
Figure BDA0000053086780000182
值的组合完全表征出了叶片传感器信号S。此外，在图4中示出了带有增益γ的(必要时带调整偏差)用于进行增益匹配的装置37、用于检测峰值和平均值的装置50以及一个滤波器39。产生的信号的A、K和
Figure BDA0000053086780000183
的值优选构成表征风场至少一个特征值C的值。
由此建立表征叶片传感器信号的值A、K和
Figure BDA0000053086780000184
和用于风场特征值的数值C的关系的表格，即，当风力发电设备1在不同风况中运行时，通过三元组
Figure BDA0000053086780000185
记录数值C。该过程可通过用于风力发电设备的准确的气动力弹性模拟程序或可选地通过风场中的风力发电设备结合用于检测风场特征值C的独立测量装置的运行来进行。
按照本发明的一种优选的设计方案，使用多个叶片传感器信号。在此，信号的周期性分量和恒定分量的识别通过所谓的多叶片坐标变换(MBC变换)进行，该变换在文献中也可称为Coleman变换。该变换由现有技术已知并且可以在转子具有三个或多个转子叶片时使用。尽管参照三个转子叶片对设计方案进行描述，但技术人员能以简单的方式扩展到四个或多个转子叶片。
对两种MBC变换加以区别：1)按标准的1p-MBC变换，其通过信号提供以下信息：恒定分量以及cos(θ)分量和sin(θ)分量的振幅。2)高阶的2p-MBC变换，其通过信号提供以下信息：cos(2θ)分量和sin(2θ)分量的振幅。在此，θ(如上)表示转子5绕转子轴线6的角度，其通常由特定的或标记的转子叶片的角位置给出。
参照图5，用于1p-MBC变换和2p-MBC变换的基础是一个由三个叶片传感器信号
Figure BDA0000053086780000191
组成的信号组，并且由此得到，即，在每个叶片上测量同类型的物理性质。S中的上角标数字1、2和3表示叶片号码。此外，S的角标n表征各转子叶片的传感器数据类型或物理性质类型(如弯度，应变，扭转等)，基于这些物理性质测定传感器数据。如下对信号组进行处理：
1.使每个叶片传感器信号
Figure BDA0000053086780000192
通过一个带有增益
Figure BDA0000053086780000193
和调整偏差的用于增益匹配的装置37(在此不排除增益为1和/或调整偏差为0)。由此叶片传感器信号基本上随时被校准，因此得到了协调的叶片传感器信号。
2.使由协调的叶片传感器信号组成的信号组通过1p-MBC变换38，从而获得稳定的信号组，其由一个恒定的信号、一个用于正弦振幅的信号和一个用于余弦振幅的信号组成(该稳定的信号组优选类似于按上述简单的设计方案构成的带有恒定值、周期性振幅和角K、A或
Figure BDA0000053086780000194
的信号组)。
3.通过使稳定信号组经过低通滤波器39来清除频谱混叠误差(Aliasing-Fehler)，由此得到没有频谱混叠的稳定信号组。低通滤波器39优选具有低于三倍转子旋转频率的角频率。得到的信号分别用和
Figure BDA0000053086780000196
来表示恒定分量(上角标“O”)、正弦分量(上角标“S”)和余弦分量(上角标“C”)。得到的信号
Figure BDA0000053086780000197
和
Figure BDA0000053086780000198
的值优选构成表征风场的一个或多个特征值的数值。
一般可以在风场估算装置22中使用任意数量的信号组，前提条件是，每个信号组在数学意义上与其它信号组“线性无关”。也就是说，每个信号组不与其它信号组的线性组合成正比。
按照一种设计方案，使用三个信号组，它们由沿叶片固定的x和y方向的叶根弯曲力矩以及由沿叶片固定z坐标的叶片转矩构成。使用按标准的1p-MBC变换，其中，用于检测或确定而选出的风场特征值包括平均风速Vm、水平平面内的风向χH和垂直平面内的风向χV以及沿ξ和η的第一力矩，即ψ1(水平风切)和φ1(垂直风切)。通过变换获得的数值优选构成表征风场特征值Vm、χH、χV、ψ1和φ1的数值。
按照另一种设计方案，使用三个信号组，它们由沿由沿叶片固定的x和y方向的叶片弯度以及由沿叶片固定z坐标的叶片扭转(如旋转或扭曲)构成并且在沿每个转子叶片的预先确定的位置上测得。使用按标准的1p-MBC变换，其中，用于检测或确定而选出的风场特征值包括平均风速Vm、水平平面内的风向χH和垂直平面内的风向χV以及沿ξ和η的第一力矩，即ψ1(水平风切)和φ1(垂直风切)。通过变换获得的数值优选构成表征风场特征值Vm、χH、χV、ψ1和φ1的数值。
按照本发明的另一种设计方案，使用三个信号组，它们由沿叶片固定的x、y和z坐标的叶片弯度构成，其中，在沿每个叶片的预先确定的位置上测量叶片弯度。按照图6，既使用按标准的1p-MBC变换38又使用高阶的2p-MBC变换40，从而得到没有频谱混叠误差而带有标量值的稳定信号组。在此，1p-MBC变换提供数值
Figure BDA0000053086780000201
和并且2p-MBC变换提供数值
Figure BDA0000053086780000203
和因此，该数组在每个风况下总共提供十五个标量值(每个叶片五个)。用于检测或确定而选出的风场特征值包括平均风速Vm、水平平面内的风向χH和垂直平面内的风向χV以及沿ξ和η的第一和第二力矩，即ψ1、φ1、ψ2和φ2。通过变换获得的数值
Figure BDA0000053086780000205
和
Figure BDA0000053086780000206
优选构成表征风场特征值Vm、χH、χV、ψ1、φ1、ψ2和φ2的数值。
风场估算装置22保存这些数值或数据或保存其中的多数，这些数值或数据在表格31(风场表格)中是估算风场特征值和转子机械功率所必须的。可例如通过求解控制方程获得附加的系统信息，包括校正值。
￡表示为识别风场而选出的参数组，其优选包括或构成表征风场特征值的数值。例如￡可包括按风场估算装置的简单设计方案的值A、K和
Figure BDA0000053086780000207
或按优选设计方案的值
Figure BDA0000053086780000208
和
Figure BDA0000053086780000209
或按另一种设计方案的值
Figure BDA00000530867800002010
和
Figure BDA00000530867800002011
对于每个通过为检测或确定而选出的风场状态(特征值)说明的风场状态，和通过转子速度Ω、叶片角βi、空气密度ρ和温度Θa说明的风力发电设备运行状态，表格31在值￡和转子机械功率的至少一个数值T之间建立关系。函数上的表达，表格31表示了函数
￡(Vm，χH，χV，ψ1，φi，Ω，ρ，βi，Θa)和
T(Vm，χH，χV，ψ1，φ1，Ω，ρ，βi，Θa)。
在图7和8中用图形示出了这种函数关系。选出的风场状态组和风力发电设备运行状态组通过两个向量确定：第一向量包括在风力发电设备运行期间估算出的值的数值范围。第二向量包括用于展开数值区域的离散化步骤。得到的状态数组代表可由风场估算器26分辨出的可能风场状态和风力发电设备状态的样本。按照图8，基于空气密度ρ和转子加速度dΩ/dt附加地对从表格中确定的数值进行校正。
如果转子机械功率的产生与附加的、可测量的参数(例如大气降水)有关，则将该信息补充到风力发电设备运行状态的数组中。
表格31的建立或者数字地进行或通过风场中的测量进行。在数字方式中使用完整的风力发电设备模型，以便在选出的风场状态和风力发电设备运行状态的数组中模拟风力发电设备的性能。计算￡的值和转子机械功率或转子转矩T并且将其保存在表格31中。
按照这种在风场中测量的方式，以足够的时间驱动风力发电设备，以便通过选出的风场状态组和风力发电设备运行状态组。风力发电设备在风场中的运行结合用于确定风场特征值的独立测量器件进行。测量￡的值和转子机械功率或转子转矩T并且将其保存在表格31中。可选地，可以对于所选风场状态组和风力发电设备运行状态组中的一部分状态进行数字模拟，而对另一部分进行风场中的测量。另一种优选方式包括使用风场中的测量来确定或校正表格数值。
如图9所示，在风力发电设备正常运行期间，包括测得的不带频谱混叠误差的稳定的叶片传感器信号组以及测得的转子数据和大气数据的测量值33对于搜索单元34可进入，该搜索单元附加地具有存取表格31的能力。搜索单元34的功能在于，其将测量值33与表格31中的对应条目相关联。按照一种设计方案，搜索单元34在应用半确定正误差的情况下使用最小平方的方法，该误差定义为表格数值和测量值之间的差的平方。通过基于梯度的搜索方法找到最小值。这种数学方法由现有技术已知。按照另一种设计方案，搜索单元使用基于表格条目的二元分类来寻找最小误差的搜索。也可以使用其它由现有技术已知的算法来寻找函数最小值。
与由搜索单元33找到的最小误差对应的用于风场特征值的数值包括由风场估算装置22发送的值并且代表在转子扫过的面积内出现的风场特征值的估算值和由转子5提供的转子机械功率的估算值并且可以在搜索单元34将测量值33与表格31中的对应条目相关联时使用。因此，本发明可以为瞬间预期的电功率确定相对准确的估算值。
附图标记清单
1风力发电设备
2塔
3吊舱
4摇转轴线
5转子
6转子轴线
7风
8转子轮毂
9转子叶片
10转子叶片
11转子叶片
12叶片轴线
13叶片轴线
14叶片轴线
15叶片轴承
16叶片角调节驱动器
17发电机
18转子轴
19电力系统
20控制单元
21估算单元
22风场估算装置
23叶片传感器信号
24转子传感器信号
25大气信号/空气传感器信号
26功率估算器
27通信单元
28数据采集系统
29测量器件
30信息线路
31风场表格
32风场估算器
33测量值/测量值组
34搜索单元
35传动装置
36发电机轴
37用于增益匹配的装置
38 1p变换
39滤波器
40 2p变换
41测量器件
42测量器件
43测量器件
44参考位置
45转子传感器
46空气密度传感器
47温度传感器
48叶片传感器
49叶片传感器
50用于采集峰值和平均值的装置
51 SCADA系统
52数据处理系统
53功率表格
Γ摇转角
θ转子角
β叶片角
P电功率
PE电功率估算值
PS电功率额定值
T转子机械功率
TE转子机械功率估算值
F被转子扫过的面积
Ω转子的旋转速度
dΩ/dt旋转加速度
ρ空气密度
Θa空气温度
ξ非旋转坐标系的坐标
η非旋转坐标系的坐标
ζ非旋转坐标系的坐标
e沿方向ζ的单位向量
Vm平均风速
t时间
V(t)风速
V1平均风速的ξ分量
V2平均风速的η分量
V3平均风速的ζ分量
χH水平平面内的风向
χV垂直平面内的风向
ψ1第一水平力矩/水平风切
φ1第一垂直力矩/垂直风切
ψ2第二水平力矩
φ2第二垂直力矩
D转子直径
x旋转坐标系的坐标
y旋转坐标系的坐标
z旋转坐标系的坐标
S叶片传惑器信号
C风场特征值
A叶片传感器信号的周期性分量的振幅
Figure BDA0000053086780000251
出现振幅A时的转子角
K叶片传感器信号的恒定分量
γ增益
n传感器数据类型
Figure BDA0000053086780000261
变换信号的恒定分量
Figure BDA0000053086780000262
变换信号的正弦分量
Figure BDA0000053086780000263
变换信号的余弦分量
Figure BDA0000053086780000264
变换信号的正弦分量
Figure BDA0000053086780000265
变换信号的余弦分量
￡用于识别风场所选择的参数组

Claims (34)

1.一种用于风力发电设备的控制装置，该风力发电设备带有一个电力系统(19)和一个包括多个转子叶片(9，10，11)的转子(5)，该转子(5)由风(7)驱动并且将转子机械功率(T)传送给所述电力系统(19)，该电力系统将所述转子机械功率的至少一部分转化为电功率(P)，该控制装置
-带有一个配属于至少一个所述转子叶片的叶片传感器器件(41)，该叶片传感器器件测量所述至少一个转子叶片的与描述所述转子(5)处的风(7)的风场的至少一个特征值有关的至少一个物理性质，并且提供至少一个表征该至少一个物理性质的叶片传感器信号(23)，其特征在于，
-带有一个估算单元(21)，该估算单元应用所述至少一个叶片传感器信号(23)确定电功率估算值(PE)。
2.按权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述风场的至少一个特征值包括风速(V3)、风向(γH，χV)、水平风切(ψ1)和/或垂直风切(φ1)。
3.按权利要求1或2所述的控制装置，其特征在于，所述估算单元(21)包括
-一个风场估算器(32)，该风场估算器应用所述至少一个叶片传感器信号(23)确定所述转子机械功率的估算值(TE)，并且
-一个功率估算器(26)，该功率估算器基于所述转子机械功率估算值(TE)确定电功率估算值(PE)。
4.按权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述风场估算器(32)应用所述至少一个叶片传感器信号(23)确定至少一个表征所述风场的至少一个特征值的数值，并且基于该至少一个数值确定转子机械功率估算值(TE)。
5.按权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述风场估算器(32)应用用于系统识别的方法计算所述至少一个表征所述风场的至少一个特征值的数值。
6.按权利要求3至5之一所述的控制装置，其特征在于，设有至少一个风场表格(31)，其中为不同风况存储有表征风场的至少一个特征值的数值(￡)和用于估算转子机械功率的数值，其中所述风场估算器(32)应用所述风场表格(31)确定转子机械功率估算值(TE)。
7.按权利要求3至6之一所述的控制装置，其特征在于，所述风场估算器(32)相继确定多个用于估算转子机械功率的数值并且通过取这些数值的时间平均值来构成转子机械功率估算值(TE)。
8.按权利要求3至7之一所述的控制装置，其特征在于，设有一个功率表格(53)，其中为所述风力发电设备的不同运行状况存储有与转子机械功率有关的运行参数和用于估算电功率的功率数值，其中，所述功率估算器(26)应用所述功率表格确定电功率估算值。
9.按权利要求8所述的控制装置，其特征在于，所述存储在功率表格中的数值表征所述风力发电设备(1)的稳定运行状态。
10.按权利要求3至9之一所述的控制装置，其特征在于，设有一个空气传感器器件(43)，该空气传感器器件测量风力发电设备(1)处空气的至少一个物理性质，并且提供至少一个表征空气的至少一个物理性质的空气传感器信号(25)，其中，所述风场估算器(32)应用所述至少一个空气传感器信号附加地确定转子机械功率估算值(TE)。
11.按权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述空气传感器器件具有一个测量空气密度的空气密度传感器(46)和/或一个测量空气温度的温度传感器(47)，因此空气的至少一个性质包括空气密度(ρ)和/或空气温度(Θa)。
12.按前述权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述叶片传感器器件(41)包括至少一个测量所述至少一个转子叶片的应变的应变传感器(48)和/或至少一个测量所述至少一个转子叶片的弯度的弯度传感器(49)，其中，该应变传感器(48)和/或弯度传感器(49)分别布置在所述至少一个转子叶片的至少一个预先确定的位置上，因此所述转子叶片的至少一个物理性质包括所述至少一个转子叶片在所述至少一个预先确定的位置上的应变和/或弯度。
13.按前述权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于，借助控制单元(20)根据至少一个电功率额定值(PS)调节电功率(P)，借助通信单元(27)查询所述至少一个电功率额定值(PS)并且提供给所述估算单元(21)，该估算单元基于所述至少一个电功率额定值(PS)附加地确定电功率估算值(PE)。
14.按前述权利要求中任一项所述的控制装置，其特征在于，
-设有一个测量器件(29)，借助该测量器件测量所述电功率的当前值(P)，
-设有一个数据采集系统(28)，其接收所述电功率估算值(PE)和所述电功率当前值(P)。
15.按权利要求3和14所述的控制装置，其特征在于，借助所述测量器件(29)附加地测量所述转子机械功率的当前值(T)，其中，所述数据采集系统(28)附加地接收所述转子机械功率当前值(T)和所述转子机械功率估算值(TE)。
16.按权利要求14或15所述的控制装置，其特征在于，所述数据采集系统(28)与SCADA系统，即监控和数据采集系统(51)连接，借助该监控和数据采集系统(51)可将表征所述风力发电设备(1)运行状态的信息传送给一个或多个外部的数据处理系统(52)。
17.一种风力发电设备，
-带有一个电力系统(19)和一个包括多个转子叶片(9，10，11)的转子(5)，该转子(5)由风(7)驱动并且将转子机械功率(T)传送给所述电力系统(19)，该电力系统将所述转子机械功率的至少一部分转化为电功率(P)，并且
-带有一个按前述权利要求中任一项所述的控制装置。
18.按权利要求17所述的风力发电设备，其特征在于，所述转子(5)可绕转子轴线(6)旋转地支承在机架(3)上，该机架(3)可绕一个横向于或基本上横向于所述转子轴线(6)延伸的摇转轴线(4)旋转。
19.按权利要求17或18所述的风力发电设备，其特征在于，所述转子叶片(9，10，11)分别沿横向于或基本上横向于所述转子轴线(6)延伸的叶片轴线(12，13，14)从所述转子(5)的转子轮毂(8)延伸出去，其中，每个转子叶片可绕其叶片轴线旋转地支承在所述转子轮毂(8)上并且可借助叶片角调节驱动器(16)绕叶片轴线旋转。
20.按权利要求17至19之一所述的风力发电设备，其特征在于，所述转子(5)包括三个转子叶片(9，10，11)。
21.按权利要求17至20之一所述的风力发电设备，其特征在于，设有一个控制所述风力发电设备运行的主控制设备，所述控制装置完全或部分地集成在该主控制设备中。
22.一种用于控制风力发电设备(1)运行的方法，该风力发电设备带有一个电力系统(19)和一个包括多个转子叶片(9，10，11)的转子(5)，该转子(5)由风(7)驱动并且将转子机械功率(T)传送给所述电力系统(19)，该电力系统将所述转子机械功率的至少一部分转化为电功率(P)，其中，测量所述至少一个转子叶片(9，10，11)的与描述所述转子(5)处的风(7)的风场的至少一个特征值有关的至少一个物理性质，其特征在于，
-应用测得的至少一个物理性质确定电功率估算值(PE)。
23.按权利要求22所述的方法，其特征在于，所述风场的至少一个特征值包括风速(V3)、风向(χH，χV)、水平风切(ψ1)和/或垂直风切(φ1)。
24.按权利要求22或23所述的方法，其特征在于，应用所述测得的至少一个物理性质确定所述转子机械功率的估算值(TE)，并且基于该转子机械功率估算值(TE)确定电功率估算值(PE)。
25.按权利要求24所述的方法，其特征在于，应用所述测得的至少一个物理性质确定至少一个表征所述风场的至少一个特征值的数值，并且基于该至少一个数值确定转子机械功率估算值(TE)。
26.按权利要求25所述的方法，其特征在于，应用用于系统识别的方法确定所述至少一个表征所述风场的至少一个特征值的数值。
27.按权利要求24至26之一所述的方法，其特征在于，为不同风况在风场表格(31)中存储表征风场的至少一个特征值的数值(￡)和用于估算转子机械功率的数值，并且应用所述风场表格(31)确定转子机械功率估算值(TE)。
28.按权利要求24至27之一所述的方法，其特征在于，相继确定多个用于估算转子机械功率的数值并且通过取这些数值的时间平均值来构成转子机械功率估算值(TE)。
29.按权利要求24至28之一所述的方法，其特征在于，测量风力发电设备(1)处空气的至少一个物理性质，其中，应用所述测得的空气的至少一个物理性质附加地确定转子机械功率估算值(TE)。
30.按权利要求29所述的方法，其特征在于，对空气的至少一个物理性质的测量包括测量空气密度(ρ)和/或测量空气温度(Θa)，使得空气的至少一个物理性质包括空气密度(ρ)和/或空气温度(Θa)。
31.按权利要求22至30之一所述的方法，其特征在于，
-对所述至少一个转子叶片的至少一个物理性质的测量包括测量所述至少一个转子叶片分别在该转子叶片的至少一个预先确定的位置上的应变和/或弯度，使得所述转子叶片的至少一个物理性质包括所述至少一个转子叶片在所述至少一个预先确定的位置上的应变和/或弯度。
32.按权利要求22至31之一所述的方法，其特征在于，
-根据至少一个电功率额定值(PS)调节电功率(P)，
-基于所述至少一个电功率额定值(PS)附加地确定电功率估算值(PE)。
33.按权利要求22至32之一所述的方法，其特征在于，
-测量所述电功率的当前值(P)，
-计算所述电功率估算值(PE)和所述电功率当前值(P)之间的差值。
34.按权利要求22至33之一和权利要求24所述的方法，其特征在于，
-测量所述转子机械功率的当前值(T)，
-计算所述转子机械功率估算值(TE)和所述转子机械功率当前值(T)之间的差值。
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