CN105317627B

CN105317627B - 用于根据风向跟踪调整风能设备的转子的方法和控制设备

Info

Publication number: CN105317627B
Application number: CN201510363292.XA
Authority: CN
Inventors: F.黑斯; B.布赫塔拉; T.赫尔曼
Original assignee: Wade Miller Fan Monitoring System Co Ltd
Current assignee: Wade Miller Fan Monitoring System Co., Ltd.
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2019-12-03
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: DE102014212473A1; CN105317627A

Abstract

本发明涉及用于跟踪调整风能设备（100）的转子（112）的方法，其中，该方法具有提供用于所述转子（112）的调节信号（126）的步骤，其中，用于所述转子（112）的每个转子叶片（114）的调节信号（126）表示单独地周期性地匹配的偏转‑冲角份额，以便引起用于跟踪调整转子（112）的、风力产生的偏转力矩（128）。

Description

用于根据风向跟踪调整风能设备的转子的方法和控制设备

技术领域

本发明涉及用于根据风向跟踪调整(Nachführen)风能设备的转子的方法，涉及相应的控制设备，涉及风能设备以及涉及相应的计算机程序。

背景技术

风能设备应将转子平面总是尽可能垂直于来流（Anströmung）而被风通过地取向，以实现最优的功率获取。通过转子与风向的垂直取向，还降低了转子上的非对称载荷，由此总体上降低了设备的载荷。

但是，在此因旋转的转子而产生的离心力（Kreiselkraft）不允许对风力设备进行频繁的调整。此离心力引起主轴的支承件以及塔头轴承的附加载荷。因此，仅当在风向和实际取向之间的测量误差超过一定的界限时才跟踪调整风力设备的取向。因此应忍受：风力设备具有平均的取向误差且因此具有减小了的能量收益。

发明内容

在此背景下，采用在此所提出的措施，根据主权利要求提出了用于根据风向跟踪调整风能设备的转子的方法，还提出了使用此方法的控制设备，提出了风能设备，以及最后提出了相应的计算机程序。有利的设计方案从各从属权利要求和随后的说明中得到。

提出了例如根据风向跟踪调整风能设备的转子的方法，其中，该方法具有如下步骤：

提供用于转子的调节信号，其中，用于转子的每个转子叶片的调节信号表示单独地周期性地匹配的偏转-冲角份额（Gier-Anstellwinkelanteil），以便引起风力产生的、用于跟踪调整转子的偏转力矩。

所述方法可以包括读取适合用于跟踪调整转子的偏转力矩的额定值的步骤。在此情况下，在提供的步骤中，调节信号可以通过使用额定值被提供，以便引起风力产生的、用于跟踪调整转子的偏转力矩。通过额定值限定的偏转力矩可以不等于零。转子叶片可以通过使用调节信号被如此调节，使得风力产生的偏转力矩对应于通过额定值限定的偏转力矩，或者使得产生的偏转力矩对应于通过额定值限定的偏转力矩，其中，产生偏转力矩由风力产生的偏转力矩和通过使用风能设备的方位调节装置、例如通过使用马达产生的偏转力矩组成。采用这种方式，通过使用转子叶片产生至少起辅助作用的偏转力矩，由此可以支持风能设备的方位-驱动器。

为了根据风向跟踪调整转子，所述方法可以包括读取角度信号的步骤，所述角度信号表示风向和转子的转动轴线之间的角度。在提供的步骤中，可以通过使用角度信号来提供调节信号，以便引起风力产生的、用于减小角度的偏转力矩。以此方式，风能设备的方位-驱动器可以通过有针对性地通过转子叶片产生至少起辅助作用的偏转力矩而在根据风向跟踪调整转子时起到支持作用。

风能设备可以理解为风力设备或风车。风向可以是在风能设备的转子平面上的风的来流方向。角度信号可以从风向传感器中读取。为了确定角度，可以考虑风能设备或风能设备的发电机舱的取向。调节信号可以是冲角信号。通过调节信号可以周期性地改变风能设备的转子叶片的冲角。在此，冲角循环地改变，以产生用于使机舱转动的方位转矩。

在此提出的措施中，通过单独的桨距调节达到了对于偏航角度（Yawwinkel）的改进的调节。由此可以对偏航驱动器（Yawantriebe）减载。此外，可以平衡离心力，从而在偏航-运动时不出现风力设备的轴承的增大的载荷。因此，可以较为频繁地根据风跟踪调整所述风力设备，而不出现不利的附加载荷（Mehrbelastung）。由此实现了优化的功率获取，且同时降低了由于倾斜来流导致的非对称载荷。转子叶片的桨矩可以称为转子叶片的冲角。偏航角可以称为方位角。

此外，调节信号可以限定对于转子的每个转子叶片单独地周期性地匹配的俯仰-冲角份额，以便引起风力产生的、用于平衡转子的陀螺力矩（Kreiselmoment）的俯仰力矩。由此，可以减小由于陀螺力矩带给风力设备的轴承的载荷。俯仰-冲角份额可以基于转子的转速被估计。

此外，可以读取转子上的俯仰力矩。在此，可以通过使用俯仰力矩调节周期性的俯仰-冲角份额。俯仰力矩可以被调节为零。由此，也可以校正来自风切变（Windscherung）的影响。

此外，在读取的步骤中可以读取转子上的偏转力矩。所述方法可以具有确定偏转-冲角份额的步骤，在所述步骤中当偏转力矩大于偏转力矩的额定值时，限制偏转-冲角份额。换言之，可以通过预先确定的额定-偏转力矩引导转子上的偏转力矩，其中，偏转-冲角份额被一直放大直至达到额定-偏转力矩。当超过额定-偏转力矩时，降低偏转-冲角份额。

此外，在提供的步骤中可以提供用于风力设备的方位驱动器的控制信号，以获取附加的、用于跟踪调整转子特别地用于减小角度的转矩。也可以控制塔和机舱之间的制动装置和/或锁止装置。附加的转矩可以确保机舱的转动。

调节信号可以在角度大于阈值时被提供。因此，可以避免由于反馈在总系统内导致的跃起（Aufschwingen）。但可以通过在此所提出的措施比目前已知的措施明显更早地进行跟踪调整。

还提出了用于根据风向跟踪调整风能设备的转子的控制设备，其中，控制设备被构造用于执行所述方法的所有步骤。

控制设备在此可以理解为电设备，所述电设备处理传感器信号且根据所述传感器信号输出控制信号和/或数据信号。控制设备可以具有接口，所述接口可以以硬件和/或软件的方式构造。在硬件式的构造中，接口例如可以是包含控制设备的不同的功能的、所谓的系统-ASIC的部分。但也可以使得接口是独立的集成的电路，或者可以使得接口至少部分地由分立的部件组成。在软件式的构造中，接口可以是软件模块，例如在微控制器上除了其他软件模块外具有所述软件模块。

还提出了风能设备，所述风能设备包括：转子，用于通过使用调节信号来调节转子的转子叶片的冲角的调节装置，和用于根据风向跟踪调整转子的所述控制设备。

带有程序代码的计算机程序产品或计算机程序也是有利的，所述程序代码可以存储在机器可读取的载体上或存储介质上，例如可以存储在半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上，并且特别是当程序产品或程序在计算机或设备上执行时，所述程序代码用于执行、实施和/或控制根据前述实施方式中任一个所述方法的步骤。

附图说明

以下借助于附图示例地详细解释本发明。各图为：

图1示出了带有根据本发明的实施例的控制设备的风能设备的图示；和

图2示出了根据本发明的实施例的用于根据风向跟踪调整风能设备的转子的方法的流程图。

具体实施方式

相同的或类似的元件可以提供以相同的或类似的附图标号。此外，说明书以及权利要求包含组合中的多个特征。在此，对于本领域技术人员显见的是，这些特征也可以被单独地考虑，或者这些特征可以组合为其他、在此未详细描述的组合。

图1示出了带有根据本发明的实施例的控制设备102的风能设备100的图示。控制设备102具有用于读取的装置104和用于提供的装置106。

风能设备100具有塔架108，在所述塔架上水平可转动地支承了发电机舱110。在发电机舱110或机舱110内布置有发电机，所述发电机通过转子轴由风能设备100的转子112驱动。转子112相对于发电机轴向地布置。在转子112和发电机之间可以布置变速器。转子112在此具有三个转子叶片114，所述转子叶片可转动地支承在转子112的转子轮毂内，以便可以调节转子叶片114的冲角。转子叶片相互间以120度的角度布置。转子叶片114在转子112的转子平面116内转动。在此，转子平面116由于安全原因具有漏斗形状，因为转子叶片114以大于90度的角度相对于转子112的旋转轴线118取向，以便在经过塔架108时与塔架108保持足够的距离。附加地，转动轴线118可以相对于塔108以大于90度的角度取向。

为了实现尽可能大的效率，有利的是使转子112以最大的投影面积在风120中转动。换言之，当风120或风向120垂直于转子平面116或沿转子轴线118的方向取向时，达到最高的效率。为此，机舱110与转子112方位地（azimutal）或水平地可转动。机舱110可以仅机械地即通过使用至少一个马达被转动。

当风120倾斜地到达转子平面116上时，转子112的有效投影面积减小。因为转子平面116为锥形，所以在倾斜来流到转子112上的情况下，塔架108右侧的投影面积的第一部分面积和塔架108左侧的投影面积的第二部分面积大小不同。作用到较大的部分面积上的风力比作用到较小的部分面积上的风力更大。因此，使得转子112进一步从风120中转动的转矩作用到机舱110上。在跟踪调整风能设备100时，除了摩擦外此转矩必须通过方位-驱动器克服。

控制设备120为此被构造用于例如根据风向120跟踪调整风能设备100的转子112。为此，根据此实施例，由用于读取参考信号122的装置104读取角度信号122。角度信号122表示风向120和转子112的转动轴线118之间的角度124，且可以由用于检测角度124的检测装置提供，所述检测装置可以例如布置在发电机舱110内。检测装置可以具有适合于此的测量装置，或者与这些测量装置联接。用于读取的装置104可以称为读取接口104。由用于提供的装置106通过使用角度124提供用于转子112的调节信号126。在此，调节信号126对于转子112的每个转子叶片114限定了单独地周期性地匹配的偏转-冲角份额，通过所述偏转-冲角份额在转子叶片114上可以引起用于减小角度124的、风力产生的偏转力矩128。风力产生的偏转力矩128在此具有一工作方向，通过该工作方向使得转子轴线118转动到风中。调节信号126可以被用于调节转子叶片114的冲角的调节设备用于调节转子叶片114，使得通过风120作用到转子叶片114上的力引起偏转力矩128，通过所述偏转力矩使得转子112转动到风120中。调节装置可以包括用于调节转子叶片114的马达或与这些马达联接。用于形成风力产生的偏转力矩128的调节信号例如可以在角度124超过预先确定的阈值时被提供。

根据一种实施例，由用于读取的装置104读取参考信号112，所述参考信号具有适合用于跟踪调整转子的偏转力矩的额定值的形式。由用于提供的装置106通过使用额定值提供用于转子112的调节信号126。在此，调节信号126对于转子112的每个转子叶片114预先给定了单独地周期性地匹配的偏转-冲角份额，通过所述偏转-冲角份额在转子叶片114上可以产生风力产生的偏转力矩128，所述偏转力矩适合于使得在风能设备上实际作用的偏转力矩接近通过额定值预先给定的偏转力矩。

在此处提出的措施中，如此影响转子叶片114的冲角，使得作用到较大的部分面积上的风力130小于作用到较小部分面积上的风力132。使得转子112转动到风120中的转矩128现在作用到机舱110上。由此，方位-驱动器被减载。机舱110也可以仅通过在此提出的措施转动。

当转子112围绕竖轴转动时，在所述转子转动期间直接导致了陀螺力矩，所述陀螺力矩与机舱110的旋转轴线118和转动轴线成90度。因此，调节信号126还可以代表对于转子112的每个转子叶片114单独地周期性匹配的俯仰-冲角份额。由此引起了风力产生的俯仰力矩用于平衡转子112的陀螺力矩。俯仰力矩也可以直接在转子112上测量，且用于调节周期性的俯仰-冲角份额。特别地，可以因此校正俯仰力矩的残余偏差。

为监察在此提出的措施，可以测量转子112上的偏转力矩128。偏转力矩128可以由风能设备100的合适的装置在偏转力矩信号134内描述，且由控制设备102读取。在此，当偏转力矩128大于偏转力矩128的额定值时，可以限制偏转-冲角份额。由此，可以控制机舱110的转动。特别地，可以如此限制偏转力矩128，使得其仅略大于机舱支承的摩擦。

此外，用于提供的装置106可以提供用于风力设备的方位-驱动器的调节信号，以便获取用于减小角度124的附加的转矩。为了防止持续调节，可以仅在角度124大于阈值时才提供调节信号126。由此，可以防止机舱110和转子112的跃起。

换言之，根据本发明的一个实施例的、在此提出的措施，在风力设备100的风跟踪调整时通过单独的桨距调节使得载荷降低。在此，通过控制转子叶片-桨距角来辅助对风能设备100的方位-调节。控制单独的桨距角的调节器（IPC-调节器）为此获得了预先给定的额定-偏转力矩。

风力设备100的转速在额定风速以上被调节，从而通过改变转子叶片114的冲角改变了气动的上升力且因此以这种方式改变了驱动力矩，从而使得设备100可以保持在额定转速的范围内。

在共同调节叶片时，由于非对称的起动负载，在机舱110上产生了俯仰力矩和偏转力矩。非对称的负载例如通过在垂直方向上的风切变形成，例如边界层、偏转角误差、阵风和湍流、塔上的流动受阻（Aufstauung）等。降低这些非对称的气动负载的措施是单独地调节叶片114的冲角（英语：Individual Pitch Control, IPC）。在此，典型地在转子叶片114内或其上安装传感器，以测量冲击弯矩。所述冲击弯矩于是用作单独的叶片调节的调节量。也可以通过采用陀螺测试仪（Gyrometer）测量机舱加速度来检测俯仰力矩和偏转力矩或通过传感器来检测俯仰力矩和偏转力矩，所述传感器通过距离测量来测量由于载荷出现的设备部分的变形，且由此确定载荷。

用于降低载荷的一种方法是基于所谓的DQ-变换或Coleman-变换的IPC-调节。其中，对于每个单独的转子叶片114，俯仰角β_i表达为：

在此，β_CPC是由共同的桨距调节预先给定的桨距角，且Ω_i，i=1,2,3是各转子叶片114的转动位置。β_n ^D和β_n ^Q通过IPC-调节器计算，以便将转子112的偏转力矩和俯仰力矩调节到零。如果在单独的桨距调节时仅使用β₁ ^D和β₁ ^Q，则称为1p-IPC。所有的β₂ ^D、β₂ ^Q和更高的β_i ^D、β_i ^Q在此为零。在下文中，仅考虑1p-IPC。在此，通过IPC-调节器计算β₁ ^D和β₁ ^Q，其目的是将俯仰力矩和偏转力矩调节为零。

对在三个转子叶片114上的冲击弯矩M_i进行测量。通过逆Coleman-变换，由此计算出俯仰力矩和偏转力矩。

然后，这些信号通过滤波器F被滤波，因为所述信号叠加有干扰的份额。替代地，也可以通过其他方法测量或计算俯仰力矩和偏向力矩。

由这些测量信号相应地构造的调节器K现在可以计算出调节信号126。

根据本发明的一个实施例，对单独的桨距调节预先给定额定-偏转力矩，所述额定-偏转力矩导致转子112改变了其对于风120的取向，而不使得偏航驱动器被完全加载。同时，预先给定额定-俯仰桨距角，从而由此补偿了由于离心力而所产生的俯仰力矩。通过此预控制不可被补偿的俯仰力矩的份额通过IPC-调节器被校正。

为了改变风力设备100在风120中的取向，将偏转力矩128施加到转子112上。此偏转力矩128可以通过转子112产生，这通过在IPC-调节器中预先给定额定偏转力矩来实现。

现在，通过IPC-调节器K不再将转子偏转力矩降低到零，而是将其调节到额定偏转力矩。偏航驱动器由此在偏航-转动时被减载了额定偏转力矩的值。

通过改变以转动速度ω围绕x轴旋转的、其惯性矩为J的转子112的取向，在围绕z轴以转动速度γ转动时产生了俯仰力矩。在此，角动量在以转动运动旋转的坐标系（r）中列写。

所产生的俯仰力矩即为-Jγω。所述俯仰力矩可以在转动运动期间通过IPC-调节器在冲击弯矩中测量到，且通过IPC-调节器补偿。但当桨距角通过桨距角预控制时，得到了改进的调节，其中所述桨距角平衡了调节的俯仰力矩。

比例常数α可由转子112的气动特性来确定。对于预控制，第一等式（1）可以在仅考虑1p-IPC时进行如下改变。

在该预控制中，在俯仰力矩再明显地出现前对其进行补偿。然后，IPC-调节器K仅还需平衡由于未模型化的误差导致的俯仰力矩的尚小的偏差。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于根据风向跟踪调整风能设备的转子的方法200。所述方法具有读取的步骤202和提供的步骤204。在读取的步骤202中，读取适合用于跟踪调整转子的偏转力矩的额定值，且附加地或替代地读取角度信号，所述角度信号表示风向和转子的转动轴线之间的角度。在提供的步骤204中，通过使用在步骤202中读取的数据提供用于调节转子的转子叶片的桨距角的调节信号。在此，调节信号对于转子的每个转子叶片限定了单独地周期性地匹配的偏转-冲角份额，以便引起用于跟踪调整转子的、风力产生的偏转力矩。

所示的实施例仅被示例性地选择，且可以相互组合。

附图标号列表

100 风能设备

102 控制设备

104 用于读取的装置

106 用于提供的装置

108 塔架

110 机舱

112 转子

114 转子叶片

116 转子平面

118 旋转轴线

120 风向

122 角度信号

124 角度

126 调节信号

128 偏转力矩

130 小风力

132 大风力

134 偏转力矩信号

202 读取的步骤

204 提供的步骤

Claims

1.一种用于跟踪调整风能设备（100）的转子（112）的方法（200），其中，该方法具有如下步骤：

提供（204）用于所述转子（112）的调节信号（126），其中，所述调节信号（126）对于所述转子（112）的每个转子叶片（114）限定了单独地周期性地匹配的偏转冲角份额，以便引起用于跟踪调整所述转子（112）的、风力产生的偏转力矩（128）。

2.根据权利要求1所述的方法（200），具有读取适合用于跟踪调整所述转子的偏转力矩的额定值的步骤（202），其中，在提供的步骤（204）中通过使用所述额定值提供所述调节信号（126），以便引起用于跟踪调整所述转子（112）的、风力产生的偏转力矩（128）。

3.根据权利要求1所述的方法（200），具有读取角度信号（122）的步骤（202），所述角度信号（122）表示风向（120）和所述转子（112）的转动轴线（118）之间的角度（124），其中，在提供的步骤（204）中，通过使用所述角度信号（122）提供所述调节信号（126），以便引起用于减小所述角度（124）的、风力产生的偏转力矩（128）。

4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法（200），其中，在提供的步骤（204）中，所述调节信号（126）还限定了对于所述转子（112）的每个转子叶片（114）单独地周期性地匹配的俯仰冲角份额，以便引起用于平衡所述转子（112）的陀螺力矩的、风力产生的俯仰力矩。

5.根据权利要求4所述的方法（200），其中，在读取的步骤（202）中还读取所述转子（112）上的俯仰力矩，其中，在提供的步骤（204）中通过使用所述俯仰力矩调节周期性的俯仰冲角份额。

6.根据权利要求2所述的方法（200），其中，在读取的步骤（202）中还读取了偏转力矩信号（134），该偏转力矩信号表示在所述转子（112）上起作用的偏转力矩（128），其中，所述方法具有确定偏转冲角份额的步骤，其中，当所述偏转力矩（128）大于所述偏转力矩（128）的阈值时限制所述偏转冲角份额。

7.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法（200），其中，在提供的步骤（204）中，还提供用于所述风能设备（100）的方位驱动器的控制信号，以便获取用于跟踪调整所述转子（112）的附加的转矩。

8.根据权利要求3所述的方法（200），其中，在提供的步骤（204）中，当所述角度（124）大于阈值时提供所述调节信号（126）。

9.一种用于根据风向（120）跟踪调整风能设备（100）的转子（112）的控制设备（102），其中，所述控制设备（102）被构造，用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法（200）的所有步骤。

10.一种风能设备（100），其具有：转子（112），用于通过使用调节信号（126）调节所述转子（112）的转子叶片（114）的冲角的调节装置，和根据权利要求9所述的用于根据所述风向（120）跟踪调整所述转子（112）的控制设备（102）。

11.机器可读取的载体，在该机器可读取的载体上存储有计算机程序，所述计算机程序被设计用于执行根据前述权利要求1至8中任一项所述的方法（200）的所有步骤。