CN103119291A - 用于风能设备的转速适配的方法和风能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行风能设备（10）的方法，其中在运行期间由风能设备（10）发出功率，其中风能设备（10）在可预先给定的最小转速和可预先给定的最大转速之间转速可变地被运行，其中风能设备（10）或风能设备（10）的部件的振动的特征参量（51）被检测。本发明此外涉及具有塔架（14）和转子（13）的风能设备（10），其中设置发电机（26），其能以转速可变的方式运行，其中设置控制或调节设备（36，50），其在风能设备（10）的发出功率的运行时被构造用于在最小转速和最大转速之间控制或调节转子（13）的转速，并且其中此外设置用于检测风能设备（10）或风能设备（10）的部件的振动的特征参量（51）的传感器（40）。本发明方法的特征在于，根据振动的特征参量（51）来改变最小转速。本发明风能设备的特征在于，根据振动的特征参量（51）尤其是通过控制或调节设备（36，50）可改变或改变最小转速。

Description

用于风能设备的转速适配的方法和风能设备

技术领域

本发明涉及一种用于运行风能设备的方法，其中在运行期间由风能设备发出功率，其中风能设备在可预先给定的最小转速和可预先给定的最大转速之间转速可变地被运行，其中风能设备或风能设备的部件的振动的特征参量被检测。本发明此外涉及具有塔架和转子的风能设备，其中设置发电机，其能以转速可变的方式运行，其中设置控制或调节设备，其在风能设备的发出功率的运行时被构造用于在最小转速和最大转速之间控制或调节转子的转速，并且其中此外设置用于检测风能设备或风能设备的部件的振动的特征参量的传感器。

背景技术

在转速可变地运行风能设备时，在也可以称为最小转速的低运行转速情况下转子激励非常经常地靠近塔架固有频率，这在不利的边界条件下可能导致共振。通常，为了避免这些共振，通过测量确定塔架固有频率并且如此调整风能设备的转速范围，使得在所有条件下保证具有足够小的振动水平的运行。为此经常如此确定允许的最小转速，使得激励高于塔架频率5%至10%。但是这导致收益损失，因为转速范围受限制并且转子因此也仅能在受限制的风速范围中以最优的转速和从而最优的效率被运行。

WO 01/77524 A1 公开了近海风能设备的与塔架固有频率有关的运行导向装置，其中设备和/或设备部件的相应的临界固有频率被确定，其中转子的转速范围被确定，在所述转速范围中，在临界固有频率的范围中进行总设备和/或各个设备部件的激发，其中风能设备在快速通过临界转速范围的情况下仅在临界转速范围之下和之上被运行。

EP 1 816 347 A1公开了一种风能设备，所述风能设备被控制为使得在出现振动时风能设备的组件如此被操控，使得这些组件对振动激励起反作用。

发明内容

本发明的任务是，能够实现运行特性在转速可变的风能设备情况下、尤其是在能量收益、振动特性和寿命方面的改善。

该任务通过用于运行风能设备的方法来解决，其中在运行期间由风能设备发出功率，其中风能设备在可预先给定的最小转速和可预先给定的最大转速之间转速可变地被运行，其中风能设备或风能设备的部件的振动的特征参量被检测，所述方法通过以下方式被改进，即根据振动的特征参量来改变最小转速。

根据所测量的振动、也即尤其是根据振动幅度、频率、相位或一般地振动水平对最小转速、也即转速下限的改变和尤其是提升，从而有效地在出现振动时防止振动进一步放大或进一步传播。振动的特征参量优选地是振动幅度、振动频率、振动相位和/或振动方向。另外，振动的特征参量可以优选地是风能设备或风能设备的部件的加速度。风能设备的部件例如可以是塔架。如果由风能设备发出功率，则这根据本发明尤其是意味着，由风能设备将电流馈入到电网中，也即风能设备处于生产运行中。尤其是在这一方面不应被理解为，风能设备处于旋转运行（Trudelbetrieb）中。实际上，必须达到最小转速，以便能够有效地发出功率或电流。

优选地当超过振动的特征参量的可预先给定的极限值时，最小转速被连续地改变。由此实现，在风能设备的仅有关的振动情况下改变最小转速。“连续地”在本发明的范围中尤其是可以被理解为循环地，例如根据本发明的方法可以每隔5至20 ms、尤其是每隔10 ms在运行中或者在通过风能设备发出功率时被实施。

优选地，在出现相应大的振动、也即其中振动的特征参量超过可预先给定的极限值的振动时提高最小转速。在振动衰减时，于是可以再次降低最小转速。优选地在此情况下以比最小转速的降低大的斜率来进行最小转速的升高或提高。对此尤其是可以理解为斜率的数值。从而通过快速提高最小转速来以比在振动水平或振动降低时进行的最小转速的下降短的反应时间来抵抗振动。优选地，通过预先给定发电机力矩或发电机功率来调节或控制最小转速。从而通过预先给定发电机力矩或发电机功率来维持最小转速。

优选地尤其是为了处理振动的特征参量而在检测之后对所述特征参量进行限制。所述限制用于在处理所测量的信号时避免过饱和。优选地，振动的特征参量被输入到特性曲线中，其中特性曲线的输出是转速差。尤其是优选地使用风能设备或风能设备的部件的加速度和/或振动的幅度作为特性曲线构件的输入，其中特性曲线构件的输出正好是转速差。转速差于是还优选地经由时间环节、例如PT1环节被延迟。然后将该信号与最小转速和必要时当前的最小转速相加，以便用作设备调节器或运行导向装置的输入。然而，根据本发明的方法也可以在设备调节器或者设备控制或调节设备或者运行导向装置中被实施。

在子负载范围中可以通过调整发电机力矩来控制或调节对最小转速的维持。如果转速太低，则由控制或调节设备降低发电机力矩，使得转子转速增加。发电机力矩的降低经由变频器的控制或调节来进行，所述变频器经由在现有技术中本身已知的方法来调整发电机的电参数。不过对此在图描述的范围中进行更详细的阐述。

该任务另外通过具有塔架和转子的风能设备来解决，其中设置发电机，所述发电机能以转速可变的方式被运行，其中设置控制或调节设备，所述控制或调节设备在风能设备的发出功率的运行时被构造用于在最小转速和最大转速之间控制或调节转子的转速，并且其中此外设置用于检测风能设备或风能设备的部件的振动的特征参量的传感器，所述风能设备通过以下方式被扩展，即根据振动的特征参量可改变或改变最小转速。

优选地，特征参量通过控制或调节设备改变或被改变或者所述参量可以通过控制或调节设备改变。控制或调节设备于是包含或包括例如计算机程序产品或算法，借助于其可以实施根据本发明的方法。然而，根据本发明的方法也可以集成在风能设备的运行导向装置中。

优选地，传感器是加速度传感器或应变计。加速度传感器或应变计可以布置在塔架的上面区域中或者风能设备的机器壳体上、塔架的中间区域中和/或塔架的底座区域中，以便检测风能设备或风能设备的部件的不同的振动或不同的振动模式。

优选地，控制或调节设备包括斜坡，所述斜坡在最小转速提高时具有比在最小转速降低时大的斜率。优选地，通过预先给定发电机力矩或发电机功率来控制或调节对最小转速的维持。如果优选地控制或调节设备具有用于振动的所检测的特征参量的限制器，则避免控制或调节设备的过饱和。优选地，控制或调节设备也包括特性曲线构件，其包括特性曲线，其中作为输入参量设置所测量的特征参量或者所处理的特征参量，例如加速度，并且作为输出参量设置转速差或转速偏移。优选地，控制或调节设备具有延迟环节。延迟环节例如可以是低通或时间环节。在此情况下，例如可以使用PT1环节作为低通。

附图说明

下面在不限制一般性发明构思的情况下根据实施例参照附图描述本发明，其中关于所有在文中未更详细地阐述的根据本发明的细节明确地参照附图。其中：

图1示出风能设备的示意视图，

图2示出本发明风能设备的示意图，和

图3示出控制或调节设备的示意图。

具体实施方式

在下面的图中，相同的或相同类型的元件或相应的部件分别配备有相同的附图标记，从而放弃相应的重复介绍。

图1示意性地示出具有转子13的风能设备10，所述转子包括三个转子叶片11、11’、11’’，这三个转子叶片在箭头方向上环绕地被构造。转子13坐落于塔架14上面的机器壳体12处。设置传感器15、16和17，这些传感器可以检测塔架或风能设备的振动或振动水平。在此情况下例如可以涉及加速度传感器或者也可以是应变计。优选地，应变计在塔架基座的区域中布置在传感器17处并且加速度传感器布置在中间在16处并且在塔架14的上部区域中布置在15处。在相应的高度上也可以有意义地使用多个传感器，例如三个、四个或更多传感器，所述传感器可以检测不同的方向上的振动。

可以借助于一个传感器或多个传感器例如检测塔架振动，所述塔架振动在当前的转子轴向的方向上，也即进入图1的图面和从该图面出来。在此情况下，如果所谓的“3p频率”、也即叶片通过频率靠近第一塔架弯曲固有频率，则例如在低转子转速时进行振动激励。同样，当转子旋转速度（所谓的“1p频率”）太靠近塔架固有频率时，也可以有意义地使用本发明。因为在这种情况下激励经常起因于质量或气体动力学不平衡，所以在该例子中检测优选地在垂直于当前转子轴向的方向上的——也就是在图1中在图面中的——塔架振动。于是涉及横向振动的检测。

在第二塔架弯曲固有频率的情况下有意义的是，在塔架14中间在位置16中布置传感器。如所提及的那样，也可以使用在塔架基座中的应变计来以第一固有频率或以更高固有频率检测振动。优选地，在塔架周边上分布至少三个或四个传感器，以便根据风向能够检测转子轴向上的或在可替换的实施方案中与该转子走向垂直的振动。

图2示意性地示出具有风能设备的相应的组件或部件的本发明风能设备10。示出转子13的转子叶片11和转子叶片11’。在转子运动的情况下，轴承44和46中的轴32也运动，相应地于是制动垫片28也运动，在该制动垫片的周围布置传感器30，以便确定缓慢轴32的转速。经由联动装置18，输出轴20经由离合器22与快速轴24连接，其中轴24驱动三相发电机26的转子。在输出轴20处布置编码盘（Geberscheibe）33，在其附近还布置转速传感器34。

转速传感器34所测量的转速被引入到控制或调节设备36中，借助于该控制或调节设备36例如为转子叶片11和11’生成预定角度

以调整转子叶片角度或节距角度。经由传感器30所确定的转速可以替换地或补充地被输送给控制或调节设备。

此外，通过控制或调节设备预先给定转矩M，该转矩M被传递给变频器38。该控制或调节设备36将力矩调整信号M给出到用于由发电机26所产生的交变电流的变频器38。该变频器出于馈入到网络中的目的产生具有相应的可预先给定的参数的交变电流。借助于对变频器38的负载优化的调节可以对于驱动支路实现电子振动阻尼。为此也需要在驱动支路处对转速的精确检测。

控制或调节设备包括适配模块50，经由所述适配模块可以适配转子或轴20或轴24的最小转速。适配模块50也可以与控制或调节设备分开地设置。然而，在本发明的范围中，表述“通过控制或调节设备根据振动的特征参量可以改变或改变最小转速”包含，这也可以通过适配模块实现，所述适配模块可以是控制或调节设备的组成部分并且从而与控制或调节设备是整体的。这也可以通过相应的适配模块实现，所述适配模块不与控制或调节设备整体地设置并且从而在空间上与实际的控制或调节设备分开地存在。于是在本发明的范围中，控制或调节设备也包括本身与控制或调节设备分开地布置的适配模块。

风能设备或风能设备的部件的振动的特征参量通过传感器40测量，该传感器40例如可以是在图1中用15、16或17表示的加速度传感器。该传感器与适配模块50或者控制或调节设备36连接。信号于是如结合图3更详细地阐述的那样用于根据振动的特征参量适配或改变最小转速。

在图3中示意性地示出了包括适配模块50和控制或调节设备36的本发明控制或调节设备。输入信号通过加速度传感器40在整流器50的输入e处被馈入，所述输入信号是加速度信号51。在整流器52中对加速度信号进行整流，使得得出绝对值。所测量的塔架加速度将主要是正弦形的，使得对于进一步处理有意义的是，获得绝对值。因此进一步处理加速度信号的绝对值作为输出a。为此在限制器53中对绝对值进行限制，例如限制到50 mG（毫万有引力加速度）的参数上。然后经整流的加速度信号被提供给斜坡构件55的输入e。作为斜坡构件的参数例如针对ds设置+20 mG/s，也即针对升高的斜坡，并且作为下降斜坡的参数df 设置-0.03 mG/s。

可以将斜坡构件55构成为使得满足下面的条件：对于

，适用

，否则（对于

，适用

，否则

）。该结果于是作为加速度值58从斜坡构件55的输出a被给出到特性曲线构件59的输入e。特性曲线构件59作为可预先给定的参数具有e1(61), e2(62), a1(63)和a2(64)，其中e1例如可以是25 mG并且e2例如可以是50 mG并且a1可以是0 rpm以及a2可以是80 rpm或者也可以是50 rpm。

斜坡构件59的输出信号a、也即在将输入信号e应用于特性曲线60之后得出转速差67，该转速差在通过低通65之后作为转速偏移67’给出。低通65可以被构造为PT1环节，其中P=1，具有T1的可输入的或可预先给定的参数66、也即例如10 s的时间。转速偏移67’于是在加法器68中被加到最小转速69或转数最小值69上并且作为经更新的最小转速额定值被提供给控制或调节设备36或者在不仅包括控制或调节设备36而且包括适配模块50的控制或调节设备中被进一步处理。利用该值70、也即经更新的最小转速额定值于是进一步运行转速可变的风能设备，使得在风能设备振动的情况下获得最小转速，其中所述振动提高，使得离开振动的激励频率并且振动又减小。在本申请的范围中用激励频率尤其是表示以下频率，该频率如此靠近风能设备的部件的固有频率，使得风能设备被激励成具有固有频率的不希望的振动。

通过在限制器53中限制测量信号，避免了在斜坡构件55中发生饱和效应。斜坡构件55用于快速地呈现加速度增加和最大幅度的缓慢降低。此外由此也实现例如对于EMV干扰的滤波作用。例如具有-0.03 mG/s的下降斜坡的缓慢降低导致转速差67或转速偏移67’的缓慢减小。这对于设备调节器在一定程度上意味着静态状态并且用于使设备静止。通过该非对称的斜坡造型提供可靠的运行方法。从而设备调节器最优地充分利用风供应。

特性曲线构件59在加速度低于e1的情况下输出0 rpm的转速偏移或转速差67。在加速度高于e2的情况下，在具有例如1800 rpm标称转速的风能设备的情况下输出例如80 rpm的转速差67。在该实施例中，在加速度参数之间根据所出现的加速度线形地适配转速差。也可以进行其他适配，而不是线性适配。优选地在实际的实施中不以rpm为单位进行转速参数的适配，而是以参照标称转速以%为单位来进行，以便从而是与设备无关的和网络频率中性的、也即尤其是可应用于具有不同标称转速的50 Hz和60 Hz发电机。

在该实施例中被构造为PT1环节的低通65用于在自发的加速度增加、也即用于控制或调节设备或用于风能设备的温和的额定值改变的情况下限制升高。然而在加速度值缓慢下降情况下，低通滤波器几乎不具有作用。接着在加法器68处将转速偏移67’加到联动装置转速的原始额定值上。

斜坡构件55和特性曲线构件59在本发明的范围中也可以以相反的顺序布置，使得首先在特性曲线构件中将加速度转换成转速信号并且然后将斜坡函数应用于转速水平。与上面的描述类似地实施该行动，但是构件的顺序相反。

根据本发明的解决方案的特征在于加速度与转速偏移的硬耦合，由此该方法是非常稳健的。该方法可以被应用于每种运行状态中，也可以应用在标称转速的情况下。然而在标称转速情况下实际上不具有作用。然而如果风强烈地狂吹并且突然减小，则可能首先提高最小转速，这根据具有显著塔架加速度的先前狂暴的条件也对于塔架卸载是有意义的。根据本发明的方法仅如必要的那样强烈地升高最小转速，以便设备不随塔架振动而失灵。通过这种方式在低转速范围中仅微小地影响功率曲线。此外，只有当塔架加速度呈现重要的值时，最小转速才被升高。可以预先给定哪些值是重要的。尤其是在具有例如小于70 m轮毂高度的小塔架情况下，尤其是在2 MW设备情况下，在微风时暂时地引入注意地发生许多塔架振动。这例如可能由于具有线缆环路的不利的绕流或振动效应而形成。根据本发明的方法在这些情况下变得起作用，以便抑制3P激励并且避免断路。根据本发明的方法可以总是循环地运行，也即连续地运行，并且从而与不同的运行状态无关。“连续地”尤其是意味着，根据本发明的方法可以循环地例如每隔10 ms地执行。在加速度低于斜坡构件59的参数e1的情况下输出0 rpm的转速差67。从而是正常运行。

可替换地，该方法也可以仅在预先确定的转数范围中使用，尤其是仅在风能设备的低转速范围中，例如在预先确定的极限转速之下或在预先确定的极限功率或另一与转速关联的参数（例如风速）之下。因此避免在暴风时在以相对高的转速运行中提高最小转速，因为可能出现的大加速度不能归因于接近塔架谐振而是应归因于在暴风中风暴的高能量含量。如果在该运行范围中放弃该方法，则这具有以下优点，即转子的转速在可能不利风暴（Negativböen）的情况下可以足够强烈地减小，以便此外能够在能量最优点中运行。从而能量收益得以提高。

所有所述特征、还有从附图中单独地可得出的以及还有与其他特征组合地公开的各个特征单独地和组合地被看作是对发明重要的。根据本发明的实施方式可以通过各个特征或多个特征的组合来完成。

附图标记列表

10 风能设备

11，11’，11’’ 转子叶片

12 机器壳体

13 转子

14 塔架

15 传感器

16 传感器

17 传感器

18 联动装置

20 输出轴

22 离合器

24 轴

26 三相发电机

28 制动垫片

30 传感器

32 轴

33 测速盘

34 传感器

36 控制或调节设备

38 变频器

40 传感器

44 轴承

46 轴承

50 适配模块

51 加速度信号

52 整流器

53 限制器

54 可预先给定的值

55 斜坡构件

56 参数升高的斜坡

57 参数下降的斜坡

58 加速度值

59 特性曲线构件

60 特性曲线

61-64 参数

65 低通

66 参数

67 转速差

67’ 转速偏移

68 加法器

69 转速最小值

70 经更新的最小转速额定值

M 发电机力矩

e 输入参量

a 输出参量。

Claims (14)

1.用于运行风能设备（10）的方法，其中在运行期间由风能设备（10）发出功率，其中风能设备（10）在可预先给定的最小转速和可预先给定的最大转速之间转速可变地被运行，其中风能设备（10）或风能设备（10）的部件的振动的特征参量（51）被检测，其特征在于，根据振动的特征参量（51）来改变最小转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当超过振动的特征参量（51）的可预先给定的极限值时，最小转速被连续地改变。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，以比最小转速的降低大的斜率来进行最小转速的升高。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，振动的特征参量（51）包含振动的幅度、方向、频率和/或相位和/或风能设备（10）或风能设备（10）的部件的加速度。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，最小转速通过预先给定发电机力矩（M）或发电机功率来调节或控制。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，振动的特征参量（51）在检测之后被限制。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，将振动的特征参量（51）输入到特性曲线（60）中，其中特性曲线（60）的输出是转速差（67）。

8.具有塔架（14）和转子（13）的风能设备（10），其中设置发电机（26），所述发电机能以转速可变的方式运行，其中设置控制或调节设备（36，50），所述控制或调节设备在风能设备（10）的发出功率的运行时被构造用于在最小转速和最大转速之间控制或调节转子（13）的转速，并且其中此外设置用于检测风能设备（10）或风能设备（10）的部件的振动的特征参量（51）的传感器（40），其特征在于，根据振动的特征参量（51）能改变或改变最小转速。

9.根据权利要求8所述的风能设备（10），其特征在于，最小转速通过控制或调节设备（36，50）能改变或被改变。

10.根据权利要求8或9所述的风能设备（10），其特征在于，传感器（51）是加速度传感器或应变计。

11.根据权利要求9或10所述的风能设备（10），其特征在于，控制或调节设备（36，50）包括斜坡（55），所述斜坡在最小转速提高时具有比在最小转速降低时大的升高。

12.根据权利要求8至11之一所述的风能设备（10），其特征在于，通过预先给定发电机力矩（M）或发电机功率来控制或调节最小转速的维持。

13.根据权利要求9至12之一所述的风能设备（10），其特征在于，控制或调节设备（36，50）具有用于振动的所检测的特征参量（51）的限制器（53）。

14.根据权利要求9至13之一所述的风能设备（10），其特征在于，控制或调节设备（36，50）具有延迟环节（65）。

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