CN109996957B - 风能设备和用于运行风能设备的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风能设备(100)，其具有：塔(102)；空气动力学的转子(106)，其中空气动力学的转子(106)能够以可变的转子转速(n)运行并且具有多个转子叶片(108)，所述转子叶片分别具有可调整的转子叶片角(α)；用于产生电输出功率的发电机(Gen)，其中为了运行风能设备(100)预设运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)，其表明在转子转速(n)和输出功率(P)之间的相互关系，并且设有控制装置，所述控制装置与转子转速(n)相关地根据所述运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)设定输出功率(P)，其中作为运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)能够选择音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)，其设计为，使得相对于功率最优的运行特征曲线(200，300)风能设备(100)的设备共振的激励降低，而不用排除激励该设备共振的转速(n)。
Description
技术领域
本发明涉及一种风能设备。本发明还涉及一种用于将风能设备参数化的方法并且本发明涉及一种用于运行风能设备的方法。
背景技术
已知风能设备，其由风产生电功率，尤其用于将所述电功率馈入供电网中。除了环保的能量产生的优点外，风能设备可以在某些情况下也被感觉为是干扰性的。尤其如果风能设备在人口密集地区附近运行，那么风能设备的运行噪声可能被感觉为是干扰性的。
尤其在风能设备的转子叶片处的风噪声可能造成或多或少高声的噪声谱。为了减小这种噪声谱进而使风能设备更安静，在某些情况下可以提出，降低风能设备的转速。
然而也可能存在其他声源。即也可能由于在风能设备的塔或机器壳体中的振动而产生声音，尤其在被激励的共振情况下。这种声音或由此产生的声音也可以称作为固体声。通过所述固体声提高的声功率级通常在窄频带内出现，通常是低频的且由人耳感觉为不舒适的。在频谱中，排放所述固体声发出的噪音在相应的频带中作为峰值产生。
这种固体声，尤其提到的在频谱中的峰值，也可以在运行中通过限制风能设备来降低。然而也可能产生如下效果，即风能设备的被限制的运行减小了总频谱进而使固体声的峰值更占主导。由此甚至可能出现如下效果，即这种固体声由此被人耳感觉为更强烈进而感觉为更不舒适。
这种具有在频谱中的明显的峰值的固体声也称作为音调。
也已知排除在设备运行中已知的设备共振的方法。为此尤其提出一种转速闭环控制，其忽略或必要时尽可能快地导通激励设备共振的转子转速。在这种方法中成问题的尤其是，要决定设备应当以比要排除的转速范围更低还是更高的转速运行。如果在其他情况下期望的运行点处于在要排除的转速的范围内，那么这种决定变得困难并且在最不利的情况下造成在更高一级的和更低一级的转速之间持续变换。
德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索到下述现有技术：US 2008/0164091A1；US2012/0139244A1；WO2012/139584A1和WO2013/097863A1。
发明内容
因此，本发明基于的目的是，针对至少一个提到的问题。尤其应当提出一种解决方案，其降低这种固体声的出现或感知。至少应当相对于至今为止已知的解决方案提出一种替选的解决方案。
根据本发明提出一种风能设备。所述风能设备具有塔、空气动力学的转子和发电机。空气动力学的转子，其具有多个转子叶片，其中原则上一个转子叶片也足够，能够以可变化的转子转速运行并且转子叶片的转子叶片角可以调整。转子叶片角通常也称作为桨距角并且转子叶片角的调整称作为调桨距。
为了运行风能设备预设运行特征曲线，其表明在转子转速和输出功率之间的相互关系。尤其风能设备与这种运行特征曲线相关地运行，使得在具有所述转子转速的情况下根据运行特征曲线设定相应的输出功率。为此设有控制装置，所述控制装置与转子转速相关地根据运行特征曲线设定输出功率。现在作为运行特征曲线设有音调降低的运行特征曲线，其是可选择的。如果要降低或要限制音调，那么相应地选择所述音调降低的运行特征曲线。
该音调降低的运行特征曲线设计为，使得相比于功率最优的运行特征曲线，风能设备的设备共振的激励降低。然而在此，音调降低的运行特征曲线构成为，使得其不排除激励所述设备共振的转速。尤其所述音调降低的运行特征曲线是连续的特征曲线。
因此，根据本发明提出，为了降低和限制音调选择另外的，然而不突变的运行特征曲线。
优选提出，可从音调降低的运行特征曲线、功率最优的运行特征曲线和声音降低的运行特征曲线中选择。功率最优的运行特征曲线在此是如下运行特征曲线，其设计为，使得从风中获取的功率最大。尤其当原则上不需要降低声音，或者在给定的情况下预期没有干扰的声音，尤其可以选择所述功率最优的运行特征曲线。这例如也可以与风向相关，如果所述风向例如使得风将来自风能设备的声音仅传播到非人口密集的地区的话。
声音降低的运行特征曲线设计为，使得风能设备的声排放相对于功率最优的运行特征曲线普遍地降低。尤其在此声排放的声功率谱降低。与此相反，在音调降低的运行特征曲线中有针对性地降低音调。这也可以意味着，相对于功率最优的运行特征曲线，噪声谱总的来说不降低或仅略微降低。
由此，通过在提到的运行特征曲线之间的所述选择可以以简单的方式和方法适应于相应的给定条件或要求，同时确保连续的运行或连续的运行控制。
根据一个设计方案提出，音调降低的运行特征曲线在共振转速范围内与功率最优的运行特征曲线在同一共振转速范围内相比具有更小的输出功率值，其中音调降低的运行特征曲线也在共振转速范围内是连续的。由此，共振转速范围是激励风能设备的设备共振的转子转速所处于的范围。在此，音调降低的运行特征曲线比功率最优的运行特征曲线至少稍微更平滑地伸展。
这两种运行特征曲线表明与转子转速相关的输出功率，其中也可以使用等效的转速，并且相应地，音调降低的运行特征曲线在此下降。与在功率最优的运行特征曲线中相比，在音调降低的运行特征曲线的共振转速下的输出功率的一个值至少更小。然而在此，音调降低的运行特征曲线也在共振转速范围内是连续的。因此，在此不是输出功率的单个值较小，而是范围整个较小，然而由此音调降低的运行特征曲线的至少一个值小于功率优化的运行特征曲线。由此，通过有针对性地在相关的转速范围内降低功率，也可以实现有针对性地考虑音调。由此，总的来说也降低在该转速下作用的力并且相应地也降低设备共振的激励。
原则上，风能设备也可以具有多个设备共振，然而在此假定，一个设备共振是主导的并且同样所述设备共振由于提出的措施而更少地被激励。然而，风能设备在此仍然能够以连续的运行特征曲线运行。
优选地，音调降低的运行特征曲线也在共振转速范围内是连续可微分的并且是严格单调递增的。因此，运行特征曲线也在求导之后，即在将输出功率对转子转速求导之后是连续的。此外，所述运行特征曲线是严格单调递增的，因此输出功率随着转子转速增加而增加，而不存在下降的或保持不变的范围。由此，运行特征曲线也可以针对音调降低的运行以简单的方式和方法用于控制风能设备。尤其避免，通过运行特征曲线的水平的或甚至再次下降的范围产生对于要实施的闭合控制不确定的和/或不稳定的范围。
根据另一实施方式提出，可以将音调降低的运行特征曲线分为第一、第二和第三转子转速范围。在此，第一转子转速范围从起动转速起始，所述起动转速表示如下转子转速，所述风能设备以该转子转速起动。第二转子转速范围具有比第一转子转速范围更高的转速进而邻接于第一转子转速范围。第三转子转速范围具有比第二转子转速范围还更高的转速并且达到直至额定转速。在此，第二转子转速范围包括共振转子转速。由此，这三个转子转速范围从而还有共振转速处于部分负载运行中或部分负载范围内。由此，所述部分负载范围从第一转子转速范围开始达到直至第三转子转速范围结束。由此，第二转子转速范围在该部分负载范围内是中间范围，并且共振转速处于在该中间范围内。共振转速或共振转速范围由此是如下转速或范围，在该转速下或在该范围内激励设备共振。
为此，根据一个实施方式提出，在第二转子转速范围内音调降低的运行特征曲线的输出功率低于功率最优的运行特征曲线的输出功率。此外提出，第二转子转速范围尤其包括共振转速范围，或对应于所述共振转速范围。
根据一个优选的实施方式，风能设备的特征在于，设有桨距控制装置，所述桨距控制装置与在部分负载运行中的所产生的输出功率相关地根据桨距特征曲线设定转子叶片角度。此外，可与所选择的运行特征曲线相关地从多个桨距特征曲线中选择该桨距特征曲线。尤其提出，针对每个运行特征曲线设有自身的桨距特征曲线。
在此已看出，在部分负载运行中可变化的桨距角也是有意义的。由此，在部分负载运行中不使用预定的恒定的最优的角度，即不使用固定的部分负载角，而是根据条件设定该角度。
还已看出，与所选择的运行特征曲线相关地，即尤其是否构成音调降低的、声音降低的或功率最优的运行特征曲线，选择相应的桨距特征曲线。相应的桨距特征曲线在此优选与相应的运行特征曲线相适配。由此，风能设备的运行也可以空气动力学地匹配于相应的运行特征曲线进而匹配于相应的运行情况。
已看出，通过改变转速相关的输出功率，因此即使在风况相同时也能够出现与例如功率最优的运行特征曲线相比不同的转子转速进而叶尖速比。通过匹配的桨距特征曲线考虑尤其叶尖速比的这种改变。
根据一个实施方式提出，桨距特征曲线可以划分为第一、第二和第三输出功率范围。第一输出功率范围在此在输出功率处起始，所述对应于如下输出功率，风能设备在该输出功率下起动。第二输出功率范围邻接于第一输出功率范围并且相应地具有比第一输出功率范围更高的输出功率。第三输出功率范围具有比第二输出功率范围更高的输出功率并且达到直至部分负载运行的最大输出功率或直至发电机的额定功率。
由此，风能设备在其在部分负载运行中的运行特性方面优选也分为三个输出功率范围。由此，在考虑不同情况的条件下的有针对性的运行甚至在部分负载运行中也是可行的。对此也已看出，至少针对实施音调的降低能够改进在部分负载运行中唯一恒定的转子叶片角的应用。
为此，根据一个实施方式还提出，在选择音调降低的运行特征曲线时预设匹配的桨距特征曲线，所述匹配的桨距特征曲线也可以称作为音调降低的桨距特征曲线。这种匹配的桨距特征曲线优选在第一输出功率范围内与在同一输出功率范围内功率最优的桨距特征曲线相比具有更大的转子叶片角。在此，功率最优的桨距特征曲线是用于结合功率最优的运行特征曲线所提出的这种桨距特征曲线。
因此提出，可以与所选择的运行特征曲线相关地匹配桨距特征曲线。因此，为此提出匹配的桨距特征曲线。优选地，风能设备的控制装置已经包含一个或多个相应的桨距特征曲线并且于是可以根据所选择的运行特征曲线选择所述桨距特征曲线。
此外或替选地，匹配的桨距特征曲线，即音调降低的桨距特征曲线，在第二输出功率范围内与在同一输出功率范围内功率最优的桨距特征曲线相比具有更大的转子叶片角。
匹配的桨距特征曲线在此在第二输出功率范围内更大，即与在同一输出功率范围内功率最优的桨距特征曲线相比具有更大的转子叶片角。此外或替选地，匹配的桨距特征曲线在第二输出功率范围内可以具有与第一输出功率范围相比更小的转子叶片角。据此，所述叶片角度与功率最优的桨距特征曲线相比更大并且此外或替选地与第一输出功率范围相比更小。
优选地，第二输出功率范围对应于第二转子转速范围。这尤其意味着，风能设备在其在第二输出功率范围内运行时那么总是也在第二转子转速范围内运行。直观地说，这两个范围覆盖同一风速范围，然而不会针对划分而将风速为此明确地纳入。优选地，第一、第二和第三输出功率范围分别对应于第一、第二或第三转子转速范围。由此，上文所进行的对于各个区域的阐述同样可以分别应用于桨距特征曲线和运行特征曲线。尤其，同样可以在桨距特征曲线的情况下以及在运行特征曲线的情况下进行在相应的第一、第二和第三范围之间的变换。
根据一个替选方案，同样与转子转速相关地设定桨距角并且相应地分别与转子转速相关地预设桨距特征曲线。在此，尤其优选地提出，针对桨距特征曲线与针对运行特征曲线基于同一转子转速范围。
根据一个设计方案提出，第二输出功率范围对应于每秒大约4米至10米的风速范围。由此，第二输出功率范围涉及部分负载运行的大的中间范围。在此，尤其可以应用特征曲线的有利的变化，其中所述应用与启动风速良好地间隔开地进行，并且同样向上与到全负载运行的过渡良好地间隔开。
此外或替选地提出，第二转子转速范围处于转子的额定转速的大约20％至80％的范围内。由此也针对所述第二转子转速范围设有用于所描述的优点的部分负载运行的大的中间范围。在此可以排除向上和向下的极限范围。
优选地，风能设备的特征在于，至少在第二转子转速范围内，音调降低的运行特征曲线相对于功率最优的运行特征曲线具有输出功率的降低的值，并且在同一范围内，匹配的桨距特征曲线相对于功率最优的桨距特征曲线具有改变的转子叶片角。由此，至少部分地抵消由于改变叶尖速比而产生的功率系数的变差。由此，匹配的桨距特征曲线考虑叶尖速比的所述变化。
补充地，匹配的桨距特征曲线也可以在第一输出功率范围内相对于功率最优的桨距特征曲线改变，在所述第一输出功率范围内桨距特征曲线在此具有比功率最优的桨距特征曲线更大的叶片角。
通过增大叶片角尤其也可以实现空气动力学的改进。
根据一个实施方式提出，在从启动风速起直至一半的额定风速的风速范围内使用音调降低的运行特征曲线时，叶尖速比随着风速升高严格单调递减。尤其提出小于-2的斜率。因此，例如也考虑-3和-4的值。根据一个实施方式提出直至-10的值。这涉及以额定风速为标准的风速。
优选地，在使用音调降低的运行特征曲线时的叶尖速比与在使用功率最优的运行特征曲线时的叶尖速比的比大于1。由此，在使用音调降低的运行特征曲线时的叶尖速比与在使用功率最优的运行特征曲线时的相应的叶尖速比相比总是更大。
根据本发明，也提出一种用于将风能设备参数化的方法。在此也以具有塔和空气动力学的转子的风能设备为基础。空气动力学的转子能够以可变化的转子转速运行并且具有多个转子叶片，所述转子叶片分别具有可调整的转子叶片角。此外，设有用于产生电输出功率的发电机。
为了参数化，首先确定功率最优的运行特征曲线，其表明在转子转速和输出功率之间的相互关系。在此，功率最优的运行特征曲线选择为，使得风能设备发出最大输出功率，只要其根据该运行特征曲线运行。
此外，检测共振转速，其描述激励风能设备的设备共振的转子转速。在此，这种设备共振也可以是风能设备的塔的、吊舱的或其他元件的共振。也整体地考虑风能设备的共振，其中多个元件一起，例如塔和吊舱一起确定设备共振。
此外确定音调降低的运行特征曲线，其在共振转速范围内相对于功率最优的运行特征曲线具有输出功率的较低的值。音调降低的运行特征曲线在此确定为，使得其也在共振转速范围内是连续的。因此，确实确定音调降低的运行特征曲线，而不只确定单独的、需要有针对性地操控或有针对性地避免的转速功率值。
所述提出的参数化的结果尤其是音调降低的运行特征曲线的确定。然而，总的来说，将至少两个运行特征曲线参数化，即功率最优的和转速降低的功率特征曲线。风能设备于是可以选择性地至少借助于这两个运行特征曲线中的一个运行。只要不提出音调降低的要求，因为例如本来不期望这种音调的激励或在风能设备附近没有人由于这种音调而感觉到被打扰，那么风能设备可以以功率最优的运行特征曲线运行。在此，作为功率最优的运行特征曲线也可以使用原则上已知的运行特征曲线。只有当存在音调降低的需求时，才可以使用所述音调降低的运行特征曲线。优选地，然而风能设备随后持续地以音调降低的运行特征曲线运行。原则上不设计为，持续地在功率最优的运行特征曲线和音调降低的运行特征曲线之间来回切换。
优选地，将根据上述实施方式之一的风能设备参数化。在此，将下述列表中的至少一个元素参数化，所述列表包括：
-功率最优的桨距特征曲线；
-匹配的桨距特征曲线；
-第一转子转速范围；
-第二转子转速范围；
-第三转子转速范围；
-第一输出功率范围；
-第二输出功率范围；
-第三输出功率范围；以及
-声音降低的运行特征曲线。
所有这些元素已经在上文中结合风能设备的实施方式被描述并且提出，如此进行参数化，使得得到已在上文结合风能设备的至少一个实施方式所描述的结果。
根据一个实施方式提出，进行共振转速的检测，使得转子转速被改变并且为此还检测在风能设备周围的音调。于是，使用转子转速作为共振转速，在该转子转速下音调具有最大值。所述最大值优选在处于在10Hz和100Hz之间的范围内的预定的测试频率范围内发生。
音调是尤其一个频率的占主导的噪声。由此不整体检测声功率谱的声功率，而是有针对性地观察一个频率的这种噪声的份额。那么，在转子转速具有激励风能设备的值使得产生这种噪声时，一个频率的这种噪声特别强烈地增大。尤其，这是固体声，其通过风能设备的相应的运动由所述风能设备发出。
基于这样检测的共振转速于是也可以确定音调降低的运行特征曲线。基于此，于是可以确定匹配的桨距特征曲线。这种匹配的桨距特征曲线也可以称作为音调降低的桨距特征曲线，因为其可以与至少一个音调降低的运行特征曲线相关联。
优选地，所述音调降低的运行特征曲线的确定进行为，使得在共振转速范围内，尤其在共振转速下，输出功率相对于功率最优的运行特征曲线降低到使得在风能设备周围接收到的音调低于预定的极限值。优选地，重复或以连续过程进行输出功率的降低和音调的接收，直至低于预定的极限值。
由此，在此也检查一个频率的特定噪声，即尤其在共振转速下出现的噪声，尤其在如上文所述已记录共振转速时。由此，优选地，设备以共振转速运行并且功率降低，直至所述具有所述一个频率的噪声低于预定的极限值。那么，音调降低的运行特征曲线可以设计为，使得其在所述共振转速下具有这样找到的低发电机转速值。然而在此，预设运行特征曲线，使得其是连续的，尤其是连续可微分的并且严格单调递增的。那么，所述结果是在共振转速下具有小的功率值的运行特征曲线。然而这不意味着，由此总体上产生与在同一转速下功率最优的运行特征曲线的功率相比低得多的功率。相反，出现另一运行点。由于运行特征曲线是严格单调递增的，出现更高转速的运行点。还要注意的是，根据音调降低的运行特征曲线的运行，即总的来说音调的降低，也可以意味着提高的或至少不降低的声功率谱。声功率级降低的运行也可以意味着音调的提高或至少不降低。针对音调或隔离频率的噪声的感知，相比于其余的声功率谱，尤其频率的这种占主导的噪声的比例是重要的。
根据本发明提出一种用于运行风能设备的方法。在此，风能设备也具有塔、空气动力学的转子和用于产生电功率的发电机，如上文已经结合根据本发明所阐述的风能设备所描述那样。
为了运行风能设备预设运行特征曲线，其表明在转子转速和输出功率之间的相互关系并且与转子转速相关地根据运行特征曲线设定输出功率。在此，可选择音调降低的运行特征曲线作为运行特征曲线。其设计为，使得风能设备的设备共振的激励相对于功率最优的运行特征曲线降低，而不用排除激励所述设备共振的转速。尤其提出，如从根据本发明的风能设备的上文所描述的实施方式的阐述中所得出那样运行风能设备。优选提出，使用根据上文所描述的实施方式的风能设备。
根据一个优选的实施方式提出，与外部规定或白天时间相关地在风能设备的如下运行之间切换，所述运行为：风能设备以音调降低的运行特征曲线运行；风能设备以功率最优的运行特征曲线运行，其设计为，使得从风中获取的功率最大；和风能设备以声音降低的运行特征曲线运行，其设计为，使得风能设备的声排放，尤其声排放的声功率谱，相对于功率最优的运行特征曲线降低。因此，可以在功率最优的运行、音调降低的运行和声音降低的运行之间进行选择。所述选择进行为，使得相应的运行特征曲线被选择。在此仍还要强调的是，音调降低的运行进而音调降低的运行特征曲线原则上与声音降低的运行或声音降低的运行特征曲线不同。
此外，更根本地提出一种风能设备，其符合风能设备的至少一个前述实施方式并且已根据描述参数化的实施方式参数化，并且此外或替选地借助于根据所述实施方式的方法描述。
附图说明
现在，在下文中示例性地根据实施方式参照附图详细描述本发明。
图1示出风能设备的立体图。
图2和3分别示出具有不同的运行特征曲线的图表。
图4和5分别示出具有叶尖速比的不同变化曲线的图表。
图6示出具有不同的功率系数变化曲线的图表。
图7和8分别示出具有不同的桨距特征曲线的图表。
图9示意地示出声功率级的图表。
图10示意地示出用于实施根据本发明的实施方式的闭环控制的控制结构。
具体实施方式
图1示出风能设备100，其具有塔102和吊舱104。在吊舱104上设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。转子106在运行中由风置于转动运动中进而驱动在吊舱104中的发电机。
根据本发明已看出，在风能设备的运行中不仅产生由于绕流转子叶片引起的声响，而且也可能由于在塔或机器壳体或其他元件中的振动，尤其在共振时产生声响。由于所述固体声引起的提高的声功率级通常在窄频带内出现，通常是低频的并且由人耳感觉为不舒适的。在频谱中，所述固体声引起的噪声在相应的频带中作为峰值出现并且在风能设备的声排放评估中与音调附加值一起被考虑。
图9图解说明这样一种频谱。在那里，纯示意性地示出与频率f相关的声功率级L图表。作为声功率级L1示意地用实线示出声功率级。为此实质上减小的声功率级L2和总体上提高的声功率级L3同样示意地标出，以进行阐述。
在共振频率fR存在峰值LP，所述峰值示出音调。在此能看到的是，当声功率级总体上减小时，比在声功率级L2减小的情况下更清楚示出所述峰值LP。相反，在声功率级L3提高时峰值的优势会下降。
根据本发明现在已看出，通过巧妙地选择运行特征曲线，即与发电机转速相关地预设电输出功率，可以使共振和由此产生的音调的出现最小化。在通过发电机引起共振和由此带来的音调的情况下，可通过匹配运行特征曲线特别有效地使音调最小化。
图2为此示例地示出运行特征曲线的变化。图2在此示出三个不同的运行特征曲线，即风能设备的电输出功率P和转子转速n之间的函数关系。除了功率最优的运行特征曲线200以外，也示出两个音调降低的特征曲线202和204。由此，所述功率最优的特征曲线描述：当设备的音调没有出现或不必降低时，设备如何在功率最优的运行模式中运行，并且因此对应于现有技术的特征曲线。
针对音调在设备处出现并且必须降低的情况，提出两个音调降低的运行特征曲线202和204。在所基于的风能设备中，提高的声功率级以在频率范围内峰值的形式存在，所述峰值尤其在0.8的范围内的标准转速下已被激励。由此，所述0.8的标准转速在此是共振转速或所述共振转速。
由此，为了避免所述音调而提出，降低在该转速范围内发电机的功率消耗。为此，可以使用两个音调降低的运行特征曲线202和204。借助于两个音调降低的运行特征曲线202和204实现，在0.8的标准共振转速下，与功率最优的运行特征曲线相比，功率已降低了超过40％。在此，两个音调降低的运行特征曲线202和204结构上不同。音调降低的运行特征曲线204已经在开始时设有比功率最优的特征曲线更小的功率，而另一音调降低的特征曲线202在低转速时首先与功率最优的特征曲线200一致。然而，在任何情况下，两个音调降低的运行特征曲线202和204是具有连续的变化的运行特征曲线，其甚至在共振转速的范围内也是持续的、持续可微分的并且此外也是严格单调递增的。由此，音调降低的特征曲线202和204可以与功率最优的运行特征曲线200基本上完全类似地作为运行控制或设备调节的基础。
图3相对于图2仅示出另一实例。在图3的图表中，临界的标准转速范围也大约为0.8。在此示出功率最优的运行特征曲线300以及三个音调降低的运行特征曲线302、304和306。所有音调降低的运行特征曲线302、304和306和另外还有图2的运行特征曲线是根据本发明的音调降低的运行特征曲线的实例。
三个音调降低的运行特征曲线302、304和306在这里为0.8的标准共振转速下也造成功率相比于功率最优的运行特征减小到大约一半。然而，根据本发明也已看出，通过这里尤其针对图2和3所描述的处理方式尽管可以避免或可以降低出现的音调，然而通过运行特征曲线的匹配放弃转子叶片的最优的叶尖速比范围，即朝向更高的叶尖速比。这在图4和5的两个实例中阐述。
在所提出的音调降低的运行特征曲线中，在相同风速下，转子叶片比至今为止更快地转动，即比在使用分别示出的功率最优的运行特征曲线时更快。对此已看出，在转子叶片平面中的轴向诱导提高，这典型地造成功率系数减小。由此已看出，因此首先在没有其他解决方案建议的情况下，在图2和3中所阐述的避免或音调降低会造成风能设备的收益损失。
图4和5原则上示出在不进行桨距特征曲线的匹配时针对图2或3的相应的运行特征曲线的叶尖速比变化曲线。在此，叶尖速比λ的变化曲线400、402和404与图2的运行特征曲线200、202或204相对应。此外，在图4中还绘出具有一些测量点的特征曲线并且所述特征曲线表示测量进而确认其余被计算和模拟的变化曲线。在图5中，叶尖速比变化曲线500、502、504和506与图3的运行特征曲线300、302、304或306相对应。在两个图4和5中也绘出最优的叶尖速比范围λOPT。可看出，不属于功率最优的运行特征曲线的叶尖速比变化曲线大部分不在最优的叶尖速比范围中。由此已看出，就此而言风能设备非最优地运转并且为此提出一种补救措施。
针对图2的情况，在图6中示出功率系数cp的这种损耗。cp值变化曲线600、602和604对应于图2的运行特征曲线200、202和204。绘出最优的Cp值Cp_OPT并且可看出，针对音调降低的运行特征曲线604至少对于较低的风速VW出现明显减小的cp值。音调降低的运行特征曲线202也还造成cp值的较差的变化曲线602。此外，在图6中也还绘出cp值的测量值cM。
由此，可分别确定直至每秒大约10米的风速的功率系数的部分明显下降。因此，为了部分地或甚至完全地补偿所述收益损失，还提出，除了运行特征曲线以外还更改桨距特征曲线。由此也已看出，一个重要的方面是，随着运行特征曲线的改变也进行桨距特征曲线的改变。在设备控制装置中保存的在电输出功率Pel和转子叶片的桨距角之间的相互关系被称作为桨距特征曲线。设备实际发出的并且可以馈入供电网中的功率被视为电输出功率。在此，考虑检测所述输出功率的不同的可行性，例如在应用具有直流电压中间回路的全变流器设计时，从直流电压中间电路中确定所述输出功率。然而也考虑在风能设备的输出端子处的电流-电压测量。因此，输出功率也可以同义地称作为设备功率。
因此现在提出，匹配桨距特征曲线，以便避免在具有根据本发明的特征曲线的运行中叶尖速比当前提高时风能设备的收益损失。对于本发明重要的是，至少针对一个实施方式，由此提出新的运行特征曲线以及新的桨距特征曲线，即尤其音调降低的运行特征曲线和与其匹配的桨距特征曲线，该桨距特征曲线也可以称作为音调降低的桨距特征曲线。
图7和8分别示出用于根据图2或图3的功率最优的运行特征曲线200或300的桨距特征曲线700或800和与相应的音调降低的运行特征曲线202或306相关联的匹配的桨距特征曲线702或806。分别绘出部分负载角αT，其表示如下叶片角，其在正常的功率最优的运行中用作为在部分负载运行中的叶片角。
在图7中在此可见，最小的桨距角已相对于部分负载角αT升高。由此可以通过提出的音调降低的运行特征曲线补偿收益损失。为此，在图6中借助于功率系数变化曲线606可见，可通过该措施，即通过改变叶片角702，改善功率系数。该变化的功率系数变化曲线606现在仅略微与功率最优的运行特征曲线的功率系数变化曲线600不同。
图8在此示出叶片角变化曲线806或桨距特征曲线，其中或功率最优的运行特征曲线的桨距角变化曲线已以略微更复杂的方式更改，以便避免收益损失。直至大约6m/s，最小桨距角升高，以便其随后直至大约8m/s再降低至部分负载角αT。
图7和8示出叶片角与风速VW相关的变化曲线。然而，为了具体实施提出，保存桨距特征曲线。在此，叶片角尤其与转子转速相关并且与其相关地设定。经由转子转速例如可良好地检测风能设备的相应的运行点并且可以相应地选择叶片角。因此，与风速相关地设定叶片角，即如在图7或8中所示那样。然而为此不考虑风速，至少不只考虑风速。
图10图解说明可行的实施方式。在此保存有运行特征曲线O1、O2和O3并且可以经由外部的信号ext在这些运行特征曲线之间进行切换。所述运行特征曲线O1、O2和O3的输入变量形成转速n并且作为输出值得到功率P。所述功率P随后应当针对发电机设定。一个可行性在于，这至少部分地经由励磁电流的改变来执行，这由方框IE表明。所述结果随后是如下励磁电流IE，其可以直接在发电机Gen的电枢处输入，至少在发电机是他励同步电机时。然而也考虑其他可行性，例如影响发电机的定子电流。
此外保存有桨距特征曲线P1、P2和P3，同样可以在其之间进行选择。图10的示图应当说明，同一外部信号ext也用于在桨距特征曲线之间进行相应选择。在此，选择应当进行为，使得分别与运行特征曲线O1、O2或O3关联有间距特征曲线P1、P2或P3进而将运行特征曲线O1与桨距特征曲线P1、运行特征曲线O2与桨距特征曲线P2以及运行特征曲线O3与桨距特征曲线P3一起运行或使用。运行特征曲线O1在此可以代表功率最优的运行特征曲线并且运行特征曲线O2可以代表音调降低的运行特征曲线。运行特征曲线O3例如可以代表降低声音的运行特征曲线，或也代表替选的、即其他音调降低的运行特征曲线。
图10的结构示出，运行特征曲线O1、O2或O3作为输入变量得到功率P。为了简单性，在此使用功率P，其分别形成三个桨距特征曲线P1、P2和P3之一的输出。这在此直观地表示风能设备的输出功率的使用。代替功率P也可以在相应地匹配的桨距特征曲线中使用转子转速或等效的转速，尤其在使用传动装置时，然而这通常更好被避免，最后起相同作用的是，现在使用空气动力学的转子的转子转速还是发电机转速，这仅作为一个实例提出。无论如何，桨距特征曲线P1、P2和P3的输出值是叶片角α。所述叶片角分别在伺服电动机处给出，所述伺服电动机在此表示为电动机M，其还设定转子叶片B的相应的叶片角。
可能有利的能够是，在一方面通过相应的运行特征曲线的发电机的功率设定和另一方面通过相应的桨距特征曲线的叶片角的调整之间设有不同动力，以便确保稳定的性能。然而，在图10中说明的结构中尤其通过将执行机构IE用于调整励磁电流，允许发电机的功率的调整已经比叶片调整明显更快，以至于由此已经得到不同的动力进而得到调节的稳定性。
Claims (20)
1.一种风能设备(100)，其具有
-塔(102)，
-空气动力学的转子(106)，其中所述空气动力学的转子(106)
-能够以可变化的转子转速(n)运行并且
-具有多个转子叶片(108)，所述转子叶片分别具有可调整的转子叶片角(α)，
-用于产生电输出功率的发电机(Gen)，
其中
-为了运行所述风能设备(100)预设运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)，其表明在所述转子转速(n)和输出功率(P)之间的相互关系，并且
-设有控制装置，所述控制装置与所述转子转速(n)相关地根据所述运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)设定所述输出功率(P)，其特征在于，
-能够选择音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)作为运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)，所述音调降低的运行特征曲线设计为，使得所述风能设备(100)的设备共振的激励相对于功率最优的运行特征曲线(200，300)降低，同时不排除激励所述设备共振的转子转速(n)，其中
-所述风能设备(100)设有桨距控制装置，所述桨距控制装置与在部分负载运行中产生的输出功率相关地根据桨距特征曲线(700，702，800，806)设定所述转子叶片角(α)，并且其中能够与所选择的运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)相关地匹配所述桨距特征曲线(700，702，800，806)。
2.根据权利要求1所述的风能设备(100)，其特征在于，
所述运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)至少可选自：
-所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)，
-所述功率最优的运行特征曲线(200，300)，其设计为，使得从风中获取的功率最大，以及
-声音降低的运行特征曲线，其设计为，使得所述风能设备(100)的声排放，即所述声排放的声功率谱，相对于所述功率最优的运行特征曲线(200，300)降低。
3.根据权利要求中1所述的风能设备(100)，其特征在于，
-所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)在激励所述风能设备(100)的设备共振的转子转速(n)的共振转速范围内与在同一共振转速范围内所述功率最优的运行特征曲线(200，300)相比具有更小的输出功率(P)的值，
并且其中所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)也在所述共振转速范围内是连续的。
4.根据权利要求3所述的风能设备(100)，其特征在于，
所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)在所述共振转速范围内也是连续可微分的并且严格单调递增的。
5.根据权利要求3所述的风能设备(100)，其特征在于，
-所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)能够划分为第一、第二和第三转子转速范围；并且
-所述第一转子转速范围从起动转速起始，所述起动转速表示如下转子转速，所述风能设备(100)以该转子转速起动，
-所述第二转子转速范围具有比所述第一转子转速范围更高的转速，以及
-所述第三转子转速范围具有比所述第二转子转速范围更高的转速并且达到直至额定转速，并且其中
-所述第二转子转速范围包括共振转子转速，并且
-在所述第二转子转速范围内，所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)的输出功率(P)低于所述功率最优的运行特征曲线(200，300)的输出功率(P)，其中
-所述第二转子转速范围包括所述共振转速范围。
6.根据权利要求1所述的风能设备(100)，其特征在于，
-所述桨距特征曲线(700，702，800，806)能够从多个桨距特征曲线(700，702，800，806)中选择，其中针对每个运行特征曲线设有自身的桨距特征曲线。
7.根据权利要求5所述的风能设备(100)，其特征在于，
-所述桨距特征曲线(700，702，800，806)能够划分为第一、第二和第三输出功率范围，并且
-所述第一输出功率范围在发电机功率(P)处起始，所述发电机功率对应于如下输出功率(P)，所述风能设备(100)在该输出功率起动，
-所述第二输出功率范围具有比所述第一输出功率范围更高的输出功率(P)，以及
-所述第三输出功率范围具有比所述第二输出功率范围更高的输出功率(P)并且达到直至所述部分负载运行的最大输出功率(P)或达到直至所述发电机(Gen)的额定功率，并且其中
-在选择所述音调降低的运行特征曲线(202，306)时预设匹配的桨距特征曲线(702，806)，并且
-所述匹配的桨距特征曲线(702，806)在所述第一输出功率范围内与在同一输出功率范围内功率最优的桨距特征曲线(700，800)相比具有更大的转子叶片角(α)，和/或
-所述匹配的桨距特征曲线(702，806)在所述第二输出功率范围内与在同一输出功率范围内功率最优的桨距特征曲线(700，800)相比具有更大的转子叶片角(α)，和/或所述匹配的桨距特征曲线(806)在所述第二输出功率范围内具有比在所述第一输出功率范围内更小的转子叶片角(α)。
8.根据权利要求7所述的风能设备(100)，其特征在于，至少所述第二输出功率范围对应于所述第二转子转速范围。
9.根据权利要求7所述的风能设备(100)，其特征在于，
-所述第二输出功率范围对应于4m/s至10m/s的风速范围，和/或
-所述第二转子转速范围处于所述转子(106)的额定转速的20％至80％的范围内。
10.根据权利要求7所述的风能设备(100)，其特征在于，
至少在所述第二转子转速范围内所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)相对于所述功率最优的运行特征曲线(200，300)具有输出功率(P)的减小的值，并且所述匹配的桨距特征曲线(702，806)在同一范围内具有相对于所述功率最优的桨距特征曲线(700，800)改变的转子叶片角(α)，以便至少部分地抵消由于叶尖速比(λ)的改变而引起的功率系数变差，其中所述匹配的桨距特征曲线(702，806)也能够在所述第一输出功率范围内相对于所述功率最优的桨距特征曲线(700，800)改变，其方式是：所述匹配的桨距特征曲线在那里具有比所述功率最优的桨距特征曲线(700，800)更大的叶片角(α)。
11.根据权利要求10所述的风能设备(100)，其特征在于，
在从起动风速起至少直至一半的额定风速的风速(VW)的范围内使用所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)时，所述叶尖速比(λ)随着风速升高严格单调递减，即在以额定风速为标准的风速下具有小于-2的斜率。
12.根据权利要求10或11所述的风能设备(100)，其特征在于，
在使用所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)时的叶尖速比(λ)与在使用所述功率最优的运行特征曲线(200，300)时的叶尖速比(λ)的比大于1。
13.一种用于将根据权利要求1至12中任一项所述的风能设备(100)参数化的方法，其中所述风能设备(100)具有：塔(102)和空气动力学的转子(106)，其中所述空气动力学的转子(106)能够以可变化的转子转速(n)运行并且具有多个转子叶片(108)，所述转子叶片分别具有可调整的转子叶片角(α)；和用于产生电输出功率(P)的发电机(Gen)，
所述方法包括如下步骤：
-确定功率最优的运行特征曲线(200，300)，其表明在所述转子转速(n)和输出功率(P)之间的相互关系，其中所述功率最优的运行特征曲线(200，300)选择为，使得所述风能设备(100)发出最大输出功率(P)，只要所述风能设备根据该运行特征曲线(200，300)运行；
-检测共振转速，其描述激励所述风能设备(100)的设备共振的转子转速(n)；
-规定所述共振转速周围的共振转速范围；
其特征在于，
-确定音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)，其在所述共振转速范围内相对于所述功率最优的运行特征曲线(200，300)具有所述输出功率(P)的较低的值，其中所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)被确定为，使得其在所述共振转速范围内也是连续的，其中
-所述风能设备(100)设有桨距控制装置，所述桨距控制装置与在部分负载运行中产生的输出功率相关地根据桨距特征曲线(700，702，800，806)设定所述转子叶片角(α)，并且其中能够与所选择的运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)相关地匹配所述桨距特征曲线(700，702，800，806)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
将所述风能设备(100)参数化，并且规定下述列表中的至少一项，所述列表包括：
-功率最优的桨距特征曲线(700，800)；
-匹配的桨距特征曲线(702，806)；
-第一转子转速范围；
-第二转子转速范围；
-第三转子转速范围；
-第一输出功率范围；
-第二输出功率范围；
-第三输出功率范围；以及
-声音降低的运行特征曲线。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，
所述共振转速的检测进行为，使得所述转子转速(n)变化并且为此检测在所述风能设备(100)周围的音调，并且使用所述转子转速(n)作为共振转速，在该转子转速下所述音调具有最大值，即在处于10Hz和100Hz之间的范围内的预定的测试频率范围内具有最大值。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，
所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)的确定进行为，使得所述输出功率(P)在所述共振转速范围内相对于所述功率最优的运行特征曲线(200，300)降低到使得在所述风能设备(100)周围接收到的音调低于预定的极限值，即所述输出功率(P)的降低和所述音调的接收重复进行，直至低于所述预定的极限值。
17.一种用于运行根据权利要求1至12中任一项所述的风能设备(100)的方法，其中所述风能设备(100)具有：塔(102)和空气动力学的转子(106)，其中所述空气动力学的转子(106)能够以可变化的转子转速(n)运行并且具有多个转子叶片(108)，所述转子叶片分别具有可调整的转子叶片角(α)；和用于产生电输出功率(P)的发电机(Gen)，其中
-为了运行所述风能设备(100)预设运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)，其表明在所述转子转速(n)和输出功率(P)之间的相互关系，并且
-与所述转子转速(n)相关地根据所述运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)设定所述输出功率(P)，
其特征在于，
-能够选择音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)作为运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)，所述音调降低的运行特征曲线设计为，使得所述风能设备(100)的设备共振的激励相对于功率最优的运行特征曲线(200，300)降低，同时不排除激励所述设备共振的转子转速(n)，其中
-所述风能设备(100)设有桨距控制装置，所述桨距控制装置与在部分负载运行中产生的输出功率相关地根据桨距特征曲线(700，702，800，806)设定所述转子叶片角(α)，并且其中能够与所选择的运行特征曲线(200，202，204，300，302，304，306)相关地匹配所述桨距特征曲线(700，702，800，806)。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，
将所述风能设备(100)通过根据权利要求13至16中任一项所述的方法参数化。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，
与外部规定或白天时间相关地在如下运行之间切换，所述运行为：
-所述风能设备(100)以所述音调降低的运行特征曲线(202，204，302，304，306)运行；
-所述风能设备(100)以所述功率最优的运行特征曲线(200，300)运行，其设计为，使得从风中获取的功率最大；和
-所述风能设备(100)以声音降低的运行特征曲线运行，其设计为，使得所述风能设备(100)的声排放，即所述声排放的声功率谱，相对于所述功率最优的运行特征曲线(200，300)降低。
20.根据权利要求1至12中任一项所述的风能设备(100)，其特征在于，
所述风能设备(100)通过根据权利要求13至16中任一项所述的方法参数化。
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