CN110036197B - 风能设备和用于运行风能设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行用于从风中产生电功率的风能设备的方法，其中所述风能设备具有空气动力学的转子，所述转子具有其叶片角可调节的转子叶片并且所述转子能够以可变的转子转速运行。此外，所述风能设备具有与空气动力学的转子耦联的发电机，以产生输出功率。在这种情况下，在风弱至使得所述风能设备还不能以其最大输出功率运行的部分负荷运行中，与所述风相关地设定所述输出功率，检测所述风的当前的空气密度，以及与所述转子转速相关地并且还与检测到的空气密度相关地设定每个转子叶片。本发明还涉及一种风能设备。

Description

风能设备和用于运行风能设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行风能设备的方法和这种风能设备。

背景技术

风能设备是已知的并且现代的风能设备通常涉及所谓的水平轴风能设备，其中转子轴线基本上水平地设置并且转子叶片掠过基本上垂直的转子面。本发明也涉及这种风能设备或这种类型的风能设备。

通常，这种现代的风能设备大多数情况下具有三个转子叶片，所述转子叶片的叶片角也能够被调节。在此，所述风能设备通常能够在大约90度的顺桨部位直至在部分负荷运行中的大约0度或至少仅零下几度的最优角度之间调节。本发明也涉及具有叶片角可调节的转子叶片的风能设备。

转子叶片的调节通常用于，使转子叶片从额定风速起随着风速继续升高而从风中旋转出来，即提高其叶片角。此外，本发明也基于用于叶片角的命名法，使得所述叶片角朝向顺桨部位提高。

在部分负荷运行中，其中风速还未达到额定风速，通常固定地设定最优的叶片角。该叶片角也能够称作为部分负荷角度，在空气动力学方面最优地选择所述叶片角。为此，风能设备也尽可能地以在所述部分负荷运行中的最优的尖速比运行。在此要注意的是，所述最优的部分负荷角度与最优的尖速比，即转子转速与风速的比相配合。

现在，风能设备也越来越多地架设在偏远地区中，所述偏远地区也能够在气候方面和架设高度方面与常规的边界条件显著不同。于是，边界条件，尤其是大气条件在此越大程度地不同于常规先决条件，最优的部分负荷角度和最优的尖速比的计算所基于的假设就越小程度地匹配于架设地点。相应地，在部分负荷运行中会出现至少一个较差的效率。甚至可能造成，部分负荷运行无法如所规划那样可行，至少相对不稳定地工作。可能出现特别不期望的失速。

所述问题的解决方案在于，将每个风能设备相应地个体地匹配于所规划的架设地点。这然而至少因为如下原因是成问题的，这种个体化的设计能够是成本高的并且还以对所规划的架设地点的相应的了解为前提。此外，于是也要注意的是，如此个体化的风能设备也被送至相关联的架设地点。至少要注意的是，在架设地点处进行准确的参数化。

即使当所述问题应被克服时，尽管如此仍可能出现由于例如季节或日间时间或其他的波动而引起的问题。

例如从US 2013/0101413A1、US 2013/0280066A1、US2012/0139244 A1和DE 102010 054 013 A1中已知用于控制风能设备的不同方法，所述风能设备均至少部分地显示出上述列举的缺点。

US 2013/0101413 A1公开一种用于控制风能设备的变桨角的方法。风能设备包括转子，所述转子具有至少一个转子叶片。所述方法包括将至少一个转子叶片的迎角设定为特定的空气密度的函数。

US 2013/0280066 A1包括一种用于运行风能设备的方法，所述方法包括基于风能设备参数的至少一个期望值在降噪模式下运行风能设备，使得由风力涡轮机产生的噪声保持低于预定的噪音排放水平。提出，将修正因数应用于风能设备参数的至少一个期望值。根据与空气密度相关的值确定修正因数。

US 2012/0139244 A1公开一种用于控制至少一个风力设备的方法，其包括从多个运行曲线中选择第一有效运行曲线并且应用第一有效运行曲线来控制至少一个风力设备。运行曲线能够由运行曲线区段组成。

最后，DE 10 2010 054 013 A1公开一种用于运行变桨调节的风能设备的方法，所述风能设备具有至少一个其纵轴线可调节的转子叶片和发电机，其中与发电机的或转子的转速相关地预设发电机力矩的期望值，其中设有转变点，在所述转变点从部分负荷运行切换到满负荷运行，所述方法具有如下步骤：确定空气密度ρ的值；从小于在转变点中的转速的预变桨转速起设定预变桨角

其中预变桨角

的值与空气密度ρ的所确定的值相关，使得在空气密度较小的情况下与在空气密度较大的情况下相比设定更大的预变桨角。

发明内容

由此，本发明基于的目的是，针对上述问题中的至少一个。尤其地，应当提出一种解决方案，其考虑个体的大气条件或至少比之前更好地考虑。至少应当针对已知的解决方案提出一种替选的解决方案。

根据本发明，提出一种用于运行风能设备的方法，其中所述风能设备具有空气动力学的转子，所述转子具有其叶片角可调节的转子叶片并且所述转子能够以可变的转子转速运行，并且所述风能设备具有与空气动力学的所述转子耦联的发电机，以产生输出功率，所述方法包括如下步骤：在风弱至使得所述风能设备还不能以其最大输出功率运行的部分负荷运行中，与所述风相关地设定所述输出功率，检测所述风的当前的空气密度，以及与所述输出功率或所述转子转速相关地并且还与检测到的空气密度相关地设定每个叶片角，其特征在于，动态地以第一时间常量进行所述输出功率的设定并且动态地以第二时间常量进行所述转子叶片角的设定，其中将所述第一时间常量选择为小于所述第二时间常量。据此，本发明的出发点是具有空气动力学的转子的风能设备，所述转子具有多个转子叶片，所述转子叶片的叶片角可调节。原则上，也能够使用具有仅一个转子叶片的转子，然而优选提出具有三个转子叶片的空气动力学的转子。此外，转子可以可变的转子转速运行。也就是说，转子转速例如能够与风速相关地，特别是在部分负荷运行之内变化。

空气动力学的转子与发电机耦联，所述发电机产生输出功率。在不考虑功率损耗的情况下，由此发电机产生从风中提取的功率。

在风弱至使得风能设备还不能以其最大输出功率来运行的部分负荷运行中，与风相关地，即与风速相关地设定输出功率。也就是说，部分负荷运行是如下运行，其中风能设备由于风过弱还不可达到其最大输出功率，即，其中所述风能设备尤其还不能达到其额定功率。通常，如果风速已达到额定风速，那么能够达到额定功率。相应地，部分负荷运行也涉及风能设备直至额定风速的运行。

现在提出，检测风的当前空气密度，即包围风能设备的大气的当前空气密度。

随后提出，与输出功率或转子转速相关地并且与检测到的空气密度相关地设定每个叶片角。

据此提出，在部分负荷运行中设定每个转子叶片的叶片角。这也能够意味着，将所述叶片角彼此同步地以相同的值设定。然而，由此在部分负荷运行的整个范围上不设置恒定的叶片角，而是改变所述叶片角。所述改变与输出功率或转子转速相关地进行。由此，输出功率和转子转速形成用于叶片角的所述设定的输入变量。为此，考虑直接检测输出功率或转子转速并且用于所述叶片角的这种设定，或者使用与输出功率或与转子转速等效的值，例如与输出功率或转子转速成比例的值，所述值基于标准化为从零至一。

附加地，考虑检测到的空气密度作为设定叶片角的相关性。也就是说，叶片角也直接与空气密度相关。由此，也能够考虑在运行期间改变的空气密度并且所述考虑在此经由相应地设定叶片角进行。

由此，提出一种解决方案，其能够实现，考虑不同的空气密度值。由此，使风能设备的运行匹配于具有与常规的空气密度值显著不同的平均的空气密度值的驻地是可能的。然而也可以考虑波动的空气密度值。由此，也能够实现风能设备在经受强的空气密度波动的地点处的良好运行。

在此已了解的是，特别低的空气密度值造成，在转子叶片处的有效迎角增加。通过与空气密度相关地调节叶片角，本领域技术人员也将其称作为变桨，这样增大的所述有效迎角能够再次被补偿。

在此，迎角是转子叶片和视风之间的角度，即转子叶片和在运行中实际迎流的空气流的方向之间的角度，也就是说，一起考虑转子叶片的运动。迎角也能够称作为有效迎角。

优选地，为了检测空气密度，测量在风能设备之外但是靠近风能设备的空气压力和空气温度，并且由此确定空气密度，尤其由此计算所述空气密度。也就是说，由此直接通过当前的测量检测空气压力进而也能够立即识别出空气密度的改变并且必要时能够对此作出反应。

根据一个实施方式提出，与变桨特征曲线相关地进行叶片角的设定。所述变桨特征曲线针对部分负荷运行将待设定的叶片角作为输出功率或转子转速的函数给出。为此提出，变桨特征曲线还与空气密度相关。也就是说，叶片角的设定能够以简单的方式和方法经由变桨特征曲线进行。与输出功率的相关的设定能够良好地实现，因为输出功率通常可在所使用的过程计算机中作为控制技术方面的变量提供。如果转子转速用作为输入变量，那么能够测量所述转子转速并且同样能够这样在所使用的程序计算机中提供。此外，输出功率和转子转速通常处于固定的相互关系中。

也要注意的是，功率调控的动态比变桨调控的动态快非常多，以至于由此也避免在功率调控和变桨调控之间的可能的振动问题。

优选地提出，保存有多个变桨特征曲线并且从所保存的变桨特征曲线中与检测到的空气密度相关地选择一个变桨特征曲线，其匹配于相应的空气密度或已针对相应的空气密度保存。所述变桨特征曲线随后用于设定叶片角。由此能够以简单的方式和方法经由变桨特征曲线考虑空气密度，也就是说，其方式是，变桨特征曲线本身说明叶片角和转子转速之间的仅一个相互关系，然而通过如下方式对空气密度相关性产生影响：保存有多个变桨特征曲线，即尤其变桨特征曲线的集并且选择匹配于相应的空气密度的变桨特征曲线。

优选地提出，叶片角随着空气密度降低而提高。特别地，由此能够抵消由于空气密度降低而提高的有效迎角。已了解的是，通过随着空气密度降低提高叶片角来避免：有效迎角提高进而避免扰动。

由此特别在空气密度相对小的情况下可能出现扰动，这现在被避免。

根据一个实施方式提出，所述方法的特征在于，动态地以第一时间常量进行输出功率的设定并且动态地以第二时间常量进行转子叶片角的设定。为此提出，第一时间常量选择为小于第二时间常量，优选比第二时间常量小10倍。也就是说，提出，以更高的动态设定输出功率。尤其在此能够将一阶迟滞元件或二阶迟滞元件设置为动态并且为此根据普遍常规的定义确定时间常量。在此针对第一阶迟滞元件能够将如下时间视作为时间常量，在所述时间内，按幅值为1的输入阶跃计，迟滞元件的阶跃响应采用值0.63。

由此能够实现，在部分负荷运行中通过设定输出功率执行占主要地位的调控。尤其在风速波动小进而转子转速的波动小的情况下，这基本上能够受限于对输出功率的调控的反应。优选地，随后叶片调节频率更低或至少以相对小的幅值进行。

根据另一实施方式提出，在部分负荷运行中借助于运行特征曲线设定输出功率。所述运行特征曲线给出与转子转速相关的待设定的输出功率。也就是说，这种运行特征曲线同样能够如同上文所述的一个或多个变桨特征曲线那样保存。

为此现在附加地提出，输出功率附加地与检测到的空气密度相关。这尤其能够实现为，使得为了考虑不同的空气密度保存有多个运行特征曲线并且与空气密度相关地选择所述运行特征曲线。就此而言，在此也能够保存有运行特征曲线集，其中运行特征曲线分别与空气密度相关联并且与检测到的空气密度相关地选择相应相关联的运行特征曲线。

优选地，随后也提出一种在运行特征曲线不直接与空气密度相关时，也就是说，仅经由或特别经由叶片角的设定来考虑空气密度时，运行特征曲线用于设定输出功率的应用。

本发明也涉及一种用于从风中产生电功率的风能设备并且这种风能设备包括空气动力学的转子，所述转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中转子可以可变的转子转速运行。风能设备也具有与空气动力学的转子耦联的发电机，借助于所述发电机产生输出功率。所述风能设备配置用于，在部分负荷运行中运行，所述部分负荷运行如上文所定义。在此所述风能设备配置用于，检测风的当前的空气密度并且与转子转速或输出功率相关地并且还与检测到的空气密度相关地设定每个叶片角。

也就是说，在此也在部分负荷运行中与风相关地设定输出功率。这在此不一定直接与风相关地进行，即不一定与风力测量相关地进行，而是优选通过与转子转速相关地设定输出功率进行。优选地，在这种情况下找到稳定的工作点，其中将被设定的输出功率设定为，使得只要风速不改变那么转子转速也不改变。由此于是最后基于此刻盛行的风速来设定输出功率。

风能设备能够特别通过如下方式配置用于与转子转速或输出功率相关地和与检测到的空气密度相关地设定叶片角，使得过程计算机或整体地在风能设备中设置的过程控制装置或过程控制技术一般来说能够检测空气密度。为此，例如能够设有用于测量空气压力的传感器并且还设有用于测量空气温度的传感器。替选地，考虑相应的数据输入。此外，能够设有相应的数据存储器，在所述数据存储器中将叶片角和空气密度之间相应期望的相互关系离散地保存或作为函数保存。尤其能够提出，设有数据存储器，其存储变桨特征曲线的集。

优选地，设有功率控制机构，其配置用于，与转子转速相关地设定输出功率。控制机构能够尤其针对他励的同步发电机进行他励的设定。为此，例如能够设有用于调节励磁电流的相应的电流调节器，所述电流调节器尤其能够与转子转速相关地被控制。

此外，设有变桨控制机构，其配置用于，与转子转速和空气密度相关地设定叶片角。由此，所述变桨控制机构能够例如针对每个转子叶片包括变桨驱动器并且还能够为此设有控制处理器，所述控制处理器与转子转速和空气密度相关地控制变桨，这随后由变桨驱动器实施。相应地待设定的叶片角的计算的一部分也能够中央地针对所有转子叶片进行，进而针对所有变桨驱动器进行。

此外，提出一种存储机构，其配置用于，与转子转速和空气密度相关地存储叶片角设定。尤其地，在此提出，所述存储机构存储有与空气密度相关的变桨特征曲线。

优选地，风能设备配置用于，执行根据上述实施方式之一的至少一种方法。尤其地，这种方法能够在风能设备中的控制设备上实现。

附图说明

现在，下面参照附图根据实施方式示例性地详细阐述本发明。

图1示意地示出风能设备的立体图。

图2和3分别示出变桨特征曲线集。

图4示出用于与输出功率和检测到的空气密度相关地执行在部分负荷运行中的叶片角的设定的简化的调控结构。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设有空气动力学的转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。空气动力学的转子106在风能设备的运行中通过风进入转动运动进而也使发电机的电动的转子或电枢转动，所述电动的转子或电枢直接或间接与空气动力学的转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的变桨角能够通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部108b处的变桨电动机改变。

图2和3原则上示出两种不同类型的特征曲线集。这两个附图2和3为此分别示出叶片角α，所述叶片角也能够与输出功率P相关地称作为变桨或变桨角。在这两种情况下，首先在功率小的情况下存在恒定的叶片角α，所述叶片角能够具有固定预设的部分负荷角度α_T。随着功率P增加随后提出，提高叶片角α。在此，与空气密度ρ相关地设置叶片角的不同的特征曲线，所述特征曲线由此形成特征曲线集。就此图2和3的这两种示例性的建议彼此不同。

图2示出如下变化曲线，其中，叶片角在空气密度ρ越小功率P就越小的情况下提高。实曲线在此示出叶片角的针对标准的空气密度ρ₀的变化曲线，其中针对所述标准的空气密度以1.225kg/m³的值的叶片角为基础。针对所述标准的空气密度，叶片角从功率P₀起提高。虚线的特征曲线示出针对更小的空气密度ρ₁的变化曲线并且虚线的特征曲线示出针对更为小的空气密度ρ₂的变化曲线。根据这两种特征曲线，叶片角已经针对作为P₀的较小的输出功率提高。ρ₂的值例如能够为1kg/m³而ρ₁的值例如能够为1.1kg/m³。

可以看到，将图2的特征曲线选择为，使得其大致彼此平行地伸展。

在图3的实施方式中提出，叶片角也针对不同的空气密度ρ₀、ρ₁和ρ₂从功率P₀起提高。然而，随后提出，空气密度越小，变化曲线的斜率就越大。

P₀、ρ₀、ρ₁和ρ₂的值对于这两个图2和3能够是相同的。这两个图2和3也示出叶片角特征曲线的变化曲线进而示出直至额定功率P_N的特征曲线集。

图4的调控结构直观地示出发电机401和转子叶片403，所述转子叶片能够经由变桨驱动器405调节。所述元件仅象征性地示出并且例如三个转子叶片403能够分别设有变桨驱动器405，所述转子叶片由风驱动进而驱动发电机401。

发电机401在此设置为他励的同步发电机并且在本结构中经由电流调节器407操控，所述电流调节器控制励磁电流I_E。由此进行功率控制，所述功率控制在此仅简化地表明并且也能够不同地进行。也能够设有其他发电机。电流调节器407在此也表示其他功率控制装置。所述电流调节器得到功率值P作为预设值并且所述功率值P从转速功率特征曲线中得到，所述转速功率特征曲线保存在特征曲线区块409中。特征曲线区块409基于与转子叶片403所从属的转子的转速n相关的转速功率特征曲线输出功率值P。

功率值P不仅进入电流调节器中，以便经由电流调节器407控制发电机401的功率，而且功率值P也用作为用于叶片角预设单元411的输入变量。叶片预设单元411与功率P相关地确定待设定的叶片角α。在此，优选使用风能设备的输出功率作为输入变量，即实际由风能设备发出的功率。然而，为了简单起见并且为了图解说明，在此能够将所述输出功率与特征曲线区块409输出的功率P设置为相等的。以高的动态设定输出功率，使得用于图解说明的所述简化是可靠的并且在功率设定和叶片角调节之间不产生振荡问题或风险。

叶片角预设单元411具有多个特征曲线区块，其中在此示例性地示出三个特征曲线区块K1、K2和K3。这些特征曲线区块中的每个具有功率相关的叶片角特征曲线，其共同地形成特征曲线集或提供用于选择。现在提出，根据空气密度ρ选择特征曲线区块中的一个进而选择特征曲线中的一个。为此，例如能够通过测量单元413检测空气密度r。

由此，能够与输出功率P和空气密度ρ相关地设定叶片角α。为此，输出功率P形成用于叶片预设单元411的输入变量并且通过如下方式输入空气密度ρ：与空气密度ρ相关地选择匹配的特征曲线。这样确定的叶片角a随后被提供到变桨驱动器405上，以便对应地设定相应的转子叶片403。

由此，根据本发明提出一种解决方案，以便改进现有技术，其中转子叶片设计为，使得转子叶片在标准空气密度为ρ＝1.225kg/m³时在设备的所有工作点处无分离地被绕流。已了解的是，现在越来越多地将设备在如下驻地被规划，在所述驻地处，空气密度部分地明显低于标准空气密度。这造成，由于在转子叶片处的有效迎角的提高而可能产生流动分离，这又可能造成显著的功率损耗。在此已了解，空气密度越小，在转子叶片处的有效迎角就越大程度地提高并且就越可能造成降低功率的流动分离。通过转子叶片的变桨能够避免流动分离。在这种情况下提出，转子叶片的变桨匹配于空气密度。据此提出，待设定的变桨角现在是输出电功率、即输出功率和空气密度的函数。由此提出，设定叶片角不仅基于输出电功率的函数。由此提出，在风能设备处测量空气压力和温度并且由此计算空气密度，以至于能够借助于所保存的函数能够确定相应的变桨角。

最后，由此也能够通过以所提出的方式使用匹配于驻地的空气密度的变桨特征曲线来提升变桨控制的、转速可变的风能设备的年收益。

Claims (13)

1.一种用于运行用于从风中产生电功率的风能设备的方法，其中

-所述风能设备具有空气动力学的转子，所述转子具有其叶片角可调节的转子叶片并且所述转子能够以可变的转子转速运行，并且

-所述风能设备具有与空气动力学的所述转子耦联的发电机，以产生输出功率，所述方法包括如下步骤：

-在风弱至使得所述风能设备还不能以其最大输出功率运行的部分负荷运行中，与所述风相关地设定所述输出功率，

-检测所述风的当前的空气密度，以及

-与所述输出功率或所述转子转速相关地并且还与检测到的空气密度相关地设定每个叶片角，

其特征在于，

动态地以第一时间常量进行所述输出功率的设定并且动态地以第二时间常量进行转子叶片角的设定，其中将所述第一时间常量选择为小于所述第二时间常量，

其中所述第一时间常量和所述第二时间常量分别是一阶迟滞元件的或二阶迟滞元件的时间常量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了检测所述空气密度，测量在所述风能设备之外的空气压力和空气温度并且由此确定所述空气密度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，与变桨特征曲线相关地进行所述叶片角的设定，所述变桨特征曲线针对所述部分负荷运行将待设定的叶片角作为所述输出功率或所述转子转速的函数给出，其中所述变桨特征曲线与所述空气密度相关。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，保存多个变桨特征曲线并且从所保存的变桨特征曲线中与检测到的空气密度相关地选择变桨特征曲线并且用于设定所述叶片角。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述叶片角随着空气密度降低而增大。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述叶片角随着空气密度降低而增大，用于抵消由于空气密度减小而提高的有效迎角。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在部分负荷运行中借助于运行特征曲线设定所述输出功率，所述运行特征曲线与所述转子转速相关地给出待设定的输出功率，其中所述输出功率附加地与检测到的空气密度相关。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述输出功率附加地与检测到的空气密度相关，使得为了考虑不同的空气密度而保存多个运行特征曲线并且与所述空气密度相关地选择所述运行特征曲线之一。

9.一种用于从风中产生电功率的风能设备，其包括：

-空气动力学的转子，所述转子具有其叶片角可调节的转子叶片，其中所述转子能够以可变的转子转速运行，和

-与空气动力学的所述转子耦联的发电机，用于产生输出功率，其中所述风能设备配置用于，

-在风弱至使得所述风能设备还不能以其最大输出功率运行的部分负荷运行中，与所述风相关地设定所述输出功率，

-检测所述风的当前的空气密度，以及

-与所述输出功率或所述转子转速相关地并且还与检测到的空气密度相关地设定每个叶片角，其特征在于，

动态地以第一时间常量进行所述输出功率的设定并且动态地以第二时间常量进行转子叶片角的设定，其中将所述第一时间常量选择为小于所述第二时间常量，

其中所述第一时间常量和所述第二时间常量分别是一阶迟滞元件的或二阶迟滞元件的时间常量。

10.根据权利要求9所述的风能设备，其特征在于，

-设有功率控制机构，其配置用于与所述转子转速相关地设定所述输出功率，

-设有变桨控制机构，其配置用于与所述转子转速和所述空气密度相关地设定叶片角，以及

-设有存储机构，其配置用于与所述转子转速和所述空气密度相关地存储叶片角设置。

11.根据权利要求10所述的风能设备，其特征在于，

设有存储机构，其配置用于存储与空气密度相关的变桨特征曲线。

12.根据权利要求9或10所述的风能设备，其特征在于，所述风能设备配置用于，实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。

13.根据权利要求12所述的风能设备，其特征在于，所述风能设备为此具有控制设备。

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