CN110139980B - 用于运行风能设备的方法、用于控制风能设备的装置和相应的风能设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行风能设备的方法，所述风能设备具有转子和经由转子驱动的用于产生电功率的发电机，其中根据本发明提出，利用调整的运行管理，进而利用对于风能设备重要的空气密度来预设风能设备的转子的调整的转速，用于产生要输出的电功率，其中为了产生优化的要输出的电功率，调整的转速在空气密度降低时是提高的转速或者在空气密度提高时是降低的转速，其中附加地或替选地，‑利用对于风能设备重要的空气密度为转子的预设的调整的转速测定风能设备的声发射，并且尤其基于测定的声发射利用对于风能设备重要的空气密度来修正调整的转速。

Description

用于运行风能设备的方法、用于控制风能设备的装置和相应 的风能设备
技术领域
本发明涉及一种用于运行风能设备的方法，所述风能设备具有转子和经由转子驱动的用于产生电功率的发电机。在方法中，测定对于风能设备重要的环境变量，所述环境变量包括至少一个对于风能设备重要的空气密度，并且此外测定发电机转子(转子)的转速，并且预设发电机的要输出的电功率。在方法中，为了产生要输出的功率根据运行管理来调节风能设备。优选地，借助于发电机的励磁电流来调节发电机。运行管理说明在转子的转速和要输出的功率之间的关联。此外本发明还涉及一种用于开环控制和/或闭环控制风能设备的装置、一种风能设备和一种风电场。
背景技术
在此，运行管理根据对于风能设备重要的空气密度来调整。这种方法已经在申请人这方面在EP 1 368 566 B1中已知。
此外原则上已知的是，考虑在风能设备运行时对于风能设备重要的空气密度，以进一步地考虑转子叶片处的质量流密度。
DE 19 844 258 A1提出，在带有具有可调整的转子叶片的可由风驱动的转子的风能设备中，与转子连接的发电机用于产生电能，其中发电机的功率输出在可变的转子转速下是可能的。在运行管理系统中提出，在预设的风速范围之内，在调整转子叶片角度的条件下以调控方式构成转子转速。
根据文章National Academy Press,1991,“Assessment of Research Needs forWind Turbine Rotor Materials Technology–Chapter 6Active Control in WindTurbines-Control Problem for Wind Turbines(风力发电机转子材料技术研究需求评估-第6章风力发电机组主动控制-风力发电机控制问题)”——第91至108页(http://www.nap.edu/read/1824/chapter/8#96)--尤其第96页——提出，测量转子叶片处的质量流密度和压力，以便在相对顺畅地调整转子叶片的范围中借助相应的控制来应对面临的紊流。
在JP 2008/309488 A中提出一种控制装置，所述控制装置基于风的风力密度、风能和积分的风能来调整发电机的转速，以便能够实现均衡的功率输出，在此在考虑风能密度的条件下也一起考虑空气密度。类似地，这也在EP 2 264 313 B1中考虑，其中如在JP2008/309488中那样使用质量流传感器。
德国专利商标局在本PCT申请的优先权申请中检索到如下现有技术：WO 2012/149984 A1和WO 2014/078773 A1。
当前，在假设标准大气的条件下执行用于风能设备(WEA)的功率计算。在此使用的用于空气密度ρ_Luft的正常密度ρ_norm为ρ_norm＝1.225kg/m3，即根据国际民航组织(ICAO)对标准大气(ISA)的规定。因此，风能设备的设计按照根据IEC(InternationalEngineering Code，国际工程代码)的预定的温度范围进行。EP 1 918 581 A2例如提出，在冷的气候条件下通过如下方式确定空气密度：测量环境的温度和压力，这能够用于，降低作用于风能设备的负载。
然而，在大的高度和/或具有平均提高的温度的所在地，该假设至少不再定量地相符。在大的高度的所在地处，基于所使用的正常密度ρ_norm，出现密度中的朝向设计条件的直至大约20％的较小的值的相当大的偏差，因此在这种情况下相当大的偏差原则上也对常规处理方式提出疑问。
关于风功率适用：
Figure GDA0002725857360000021
在此，A为流过的面积，η为发电机效率并且cp为功率系数。功率系数在下文中假设为常数。如果功率P以及方程的其他变量保持恒定，那么对于叶片尖部速度遵循
Figure GDA0002725857360000022
那么因此叶片尖部速度vtip与密度ρ的立方根成反比，及功率与密度ρ在其他变量恒定的情况下直接成比例。
这已经由申请人在开始提到的EP 1 368 566中具体已知。在那里，不同于在现有技术中，明确地提出，在风能设备的控制设备中保存功率特征曲线，所述功率特征曲线允许风能设备的控制装置，从与风速相关的测定的转子转速中测定相关联的发电机功率。已知的是，如果风的能量过小，那么发电机的转子不能够施加所产生的发电机转矩，进而转子转速能够由于过高的发电机转矩而下降。作为解决方案在EP 1 368 566 B1中提出，考虑风能设备在海平面之上的安装地点的高度考虑功率特征曲线中的较小的空气密度。由此，能够将与转子转速进而与特定的叶尖速比λ相关联的、要由风能设备产生的功率相应地调整，即降低，使得发电机转矩由于通过控制设备调节的励磁电流不超过经由转子提供的转矩。这引起，经由功率特征曲线确定的效率保持不变并且能够从风中提取最大能量。
在这原则上有利的同时，仍证实为同样重要的是，优化风能设备(WEA)的年收益(AEP——Annual Energy Production，年发电量)。这尤其适用于较小的空气密度的上述情况，由于所述空气密度，可用的风功率较小，期望的是，补偿这种小的可用的风功率，尤其不对风能设备和环境造成负面影响。
发明内容
本发明基于此，其目的是，提出用于运行风能设备的方法和装置以及与此相应的风能设备，所述风能设备具有转子和经由转子驱动的用于产生电功率的发电机。本发明基于如下目的，消除或减少上述问题中的至少一个。尤其地，在考虑对于风能设备重要的空气密度的条件下，补偿因此少的可用的风功率，尤其以可靠的和/或改进的方式。
尤其地，本发明的目的是，在这种方法或相应的用于开环控制和/或闭环控制的装置或相应的风能设备中，根据对于风能设备重要的——与正常条件相比——较小的空气密度调整运行管理，使得能够优化、尤其能够改进发电机的要输出的电功率。
优选地，这应在风能设备的升高的AEP(Annual Energy Production，年发电量)的范围中理解，其中优选地对环境的影响和/或对风能设备的过度负载仍应保持得小。尤其地，本发明的目的是，提出一种用于开环控制和/或闭环控制风能设备的相应的装置以及提出一种相应的风能设备，所述风能设备考虑所述问题。
涉及方法的目的通过本发明借助一种用于运行风能设备的方法来实现。
基于开始提到类型的用于运行风能设备的方法，根据本发明继续提出：
-利用调整的运行管理进而利用对于风能设备重要的空气密度来预设风能设备的转子的调整的转速，用于产生要输出的电功率，其中为了产生优化的要输出的电功率，调整的转速是在空气密度降低时提高的转速。
对第一变型形式替选地或附加地，按照根据本发明的第二变型形式还
-利用对于风能设备重要的空气密度，针对转子的预设的转速或调整的转速测定风能设备的声发射，和
-修正预设的转速(在替选方案的情况下)或调整的转速(在附加的措施的情况下)。
优选地，限制预设的转速(在替选方案的情况下)或提高的转速(在附加的措施的情况下)。优选地，修正基于利用对于风能设备重要的空气密度测定的声发射进行。
本发明关于第一变型形式基于如下考虑，能够根据对于风能设备重要的空气密度来调整运行管理。根据本发明的构思，这应引起，选择转子的调整的转速，以产生发电机的优选优化的要输出的电功率。这表示，在对于风能设备重要的相对降低的空气密度的情况下，调整的转速相对于关于标准大气的正常密度的(正常)转速提高。
本发明此外关于第二变型形式已经已知，对于转子的转速或在风能设备的转子的调整的转速的措施下，对于转子的预设的转速或调整的转速也影响风能设备的声发射。根据本发明替选地或附加地提出，利用对于风能设备重要的空气密度针对转子的预设的或调整的转速测定风能设备的声发射，并且基于利用对于风能设备重要的空气密度测定的声发射来修正预设的或调整的转速。
换言之，根据本发明的运行管理关于第二变型形式例如允许，在设备功率、调整的转速相同并且空气密度较小的情况下——即在否则优化的要输出的电功率的情况下——与在标准大气的正常条件下相比，由风能设备的转子造成的声压进而转子的声发射或风能设备的基本上重要的声发射能够较小。
例如，根据本发明的构思在下文中更具体地阐述：在设备功率相同的情况下——即如从根据第一变型形式的本发明已知的那样——在空气密度降低的情况下存在可能提高的迎流速度，使得——如由本发明已知的那样——能够调整运行特征曲线中的转速和/或理论转速，以便经由转速将叶尖速比保持恒定。这例如能够——如在细节描述中单独阐述的那样——能够如下实现转速的调整：
Figure GDA0002725857360000051
在此，ρnorm为正常的或根据ISA“标准化的”密度，运行特征曲线初始地例如通常根据IEC设计用于所述密度，并且nkorr为相对于初始在运行特征曲线中限定的转速n调整的转速。为了产生优化的要输出的电功率，按照根据本发明的第一变型形式的构思调整的转速是在空气密度降低时提高的转速。
附加地或替选地，根据第二变型形式也可能的人是，修正转速，使得由风能设备造成的声压尽可能保持不变。从中得出，在声压相同的情况下，转速能够根据密度改变；例如借助如下相关性：
Figure GDA0002725857360000052
借此，甚至能够将与预设的转速或调整的转速——即可能也在根据第一变型形式的情况下在空气密度较低的情况下提高的转速下——相比更进一步地提高的转速用作为与上述根据方程(I)调整的转速相比修正的转速，而不提高转子的声发射。
整体上，因此本发明已知的是，利用对于风能设备重要的空气密度将用于风能设备的声发射的声压考虑用于预设转子的调整的转速应作为重要的或其他重要的修正的参数讨论，经由所述参数能够调整转速(例如根据方程(II))或者能够进一步地修正(例如根据方程(I))调整的转速(例如根据方程(II))。第二变型形式的所述措施有利地同样基于利用对于风能设备重要的空气密度来确定重要的声发射来进行。
这能够——根据需要——以在上文中描述的方式引起转速在修正的范围中进一步地提高。但是可能也能够向上引起对调整的转速的限制，尤其限界，借助后一种替选方案，能够确保特定的预设的声发射。
尤其为了实现风能设备的要输出的电功率的优化——简而言之优选地“在声发射极限的边界条件下的功率优化”——根据本发明的构思证实为相对于常见的功率优化改进，但是在任何情况下都证实为是整体上对于环境兼容的功率优化，因为风能设备的声发射也对于转子的预设的调整的转速保持在范围中。
本发明在所述目的的范围中也在于一种用于开环控制和/或闭环控制风能设备的装置和一种风能设备和一种风电场。
结果是，本发明的构思首次有利地在第一变型形式的范围中提出如下可能性：利用改变的运行管理，优选借助于改变的运行特征曲线，在具有较小的密度的所在地处的风能设备中维持年收益。为了补偿较小的可用的风功率，本发明的构思尤其提出，将设备以提高的额定转速运行。
因为这也能够引起较高的或最大的夜间速度——如由本发明在第二变型形式中已知的那样——预期转子的提高的声压。另一方面——如同样由本发明已知的那样——密度和温度同样作用于声压。本发明首次已知环境参数密度和声音速度对转子叶片声学进而对风能设备的重要的声发射造成的重大影响。
已经证实的是，例如以大约20％减小的密度引起以大约2dB降低的声压。由于较高的转速预期的水平与由于较小的密度的降低的理论比较示出，风能设备在功率相同、密度较小并且转速提高的情况下可能符合发展趋势地变得更安静，即具有更小的声发射，但是或者转速可能继续提高。这会提高发电机的效率。
本发明的有利的改进方案在下文中得出并且详细地说明如下有利的可能性：在所述目的的范围中以及关于其他优点实现在上文中阐述的构思。
调整例如能够为额定转速根据至少一个以测量技术的方式直接地确定的、描述声发射的变量进行。至少一个描述声发射的变量例如能够是声压和/或声压水平和/或声功率水平和/或声频和/或匹配于收听者的尤其频率加权的声压，尤其是转子的或风能设备的声压。
针对空气密度作为重要的环境变量是相对于标准大气的正常密度降低的空气密度的情况，一个改进方案有利地提出，根据对于风能设备降低的空气密度调整运行管理。如上所述，这尤其在风能设备处于具有较小的密度的所在地时是这种情况，这例如在处于高海拔的风能设备中出现。
在优选的第一改进的变型形式的范围中提出(例如在考虑(I)的情况下并且随后在考虑(II)的情况下)，
-基于利用针对风能设备中重要的空气密度确定的声发射修正的转速相对于调整的转速更进一步地提高，或者
-修正的转速相对于调整的转速不进一步地提高，并且风能设备在声发射降低或保持不变的情况下运行。所述变型形式如在上文中阐述的那样基于如下知识进行，甚至转子的声发射进而基本上风能设备的声发射确切的说为，使得其允许进一步地提高转速，所述声发射在提高的转速下原则上可预期。
在优选的第二改进的变型形式的范围中，在本发明的构思的范围中替选地进行转速的修正和调整，这基于利用对于风能设备重要的空气密度测定的声发射来进行(例如仅在考虑(II)的条件下)。所述措施就此而言以如下方式普遍可行，使得风能设备的运行管理仅根据声发射定向。
根据本发明，在所述第二改进的变型形式的范围中提出，方法替选地具有如下步骤：
-利用对于风能设备重要的空气密度针对转子的预设的调整的转速测定风能设备的声发射，和
-基于利用对于风能设备重要的空气密度测定的声发射来修正转速。
然而有利地，只要可能这也在如下检查的假设条件下进行：要输出的功率根据运行管理来确保，所述运行管理说明在转子的转速和要输出的电功率之间的关联。
有利地，此外为两个变型形式能够提出，
-运行管理包括转速-功率运行特征曲线(n/P运行特征曲线)，其中
-根据对于风能设备重要的空气密度预设调整的运行特征曲线，并且借助于运行管理中的调整的n/P运行特征曲线来调节风能设备，以产生要输出的功率，其中
-预设的调整的当前的转速在运行管理装置中预设并且随后借助于开环控制和/或闭环控制来调节。
空气密度能够是在风能设备的地点处的当前的空气密度，所述空气密度连续地测量并且随后动态地调整。附加地或替选地，空气密度能够是在风能设备的地点处的通常占优的空气密度，所述空气密度一次或重复地测量并且随后静态地调整。
空气密度能够从测量的环境值中确定。优选地，环境值也能够包括对于风能设备重要的空气温度。空气密度也能够从其他测量的环境值中确定，其中其他环境值也可选地包括空气压力和相对空气湿度或绝对空气湿度。
此外在一个尤其优选的改进方案中证实的是，空气温度能够作为重要的环境变量在本发明的构思的范围中用于尤其优选的改进方案。在海拔高的所在地、例如Tchamma、智利等，密度在声速相等的情况下降低。在其他所在地，由于提高的环境温度能够存在降低的密度。在后一种情况下，声速也作为温度的函数变化：
Figure GDA0002725857360000081
其中等熵指数κ和空气的比气体常数R能够视作为恒定的。密度同样随温度变化。
因此尤其优选的是，在标准大气中针对转子的转速确定风能设备的正常的声发射，并且将正常的声发射与利用对于风能设备的重要的空气密度和/或空气温度测定的、针对转子的调整的转速的风能设备声发射进行比较，和
-修正和可选地限制风能设备的转子的调整的转速。
尤其地，对在上文中进行的对转速的密度相关的修正附加地或替选地，风能设备能够借助于针对修正的声发射修正的转速运行，使得风能设备在修正的声发射极限处运行。对此尤其参照根据图3的实施例，所述实施例关于此示例性地解释。
在一个尤其优选的实施方式的范围中，特定地提出一个优选的处理方式，使得
-首先在考虑标准大气的预定的正常密度的条件下调节转子的转速，和
-随后在考虑对于风能设备重要的空气密度和/或空气湿度的条件下预设调整的转速，其中
-随后修正调整的转速，并且借助于修正的转速在修正的声发射极限处运行设备。
在已经在上文中提到的另一尤其优选的实施方式的范围中，本发明的构思对于如下情况证实为是有利的：空气密度是相对于正常密度降低的空气密度，并且修正的转速是相对于用于标准大气的转速提高的转速。能够相对于调整的转速进一步地提高或但是限制该提高的转速。本发明的构思也对于如下情况证实为是有利的：空气密度是相对于正常密度提高的空气密度，并且修正的转速是相对于用于标准大气的转速降低的转速。所述降低的转速能够相对于调整的转速进一步地降低或但是限制。
可选地，首先要执行的对转速的调整和随后对转速的修正或限制——在提高或减小的范围中——也提供如下可能性，考虑空气温度的相关性。
因此，在本改进方案的范围中与空气温度和/或空气密度相关地能够利用对于风能设备重要的降低的空气密度来以开环控制和/或闭环控制方式提高风能设备的转子的转速。有利地，例如能够提高功率或确保保证的要输出的功率，例如根据年发电量(annualenergy production——AEP)。
因此为了实现所述处理方式，能够设有用于调整额定转速的修正，使得首先确定，空气密度是否处于对于声发射重要的大小之下，即尤其首先确定，空气密度是否低于正常密度(根据ISA按照ICAO的规定)，并且对于给出所述内容的情况，关于最大允许的声发射值来调整额定转速。
有利地，风能设备能够整体上为了产生要输出的功率在调节发电机的情况下进行调节，在调节优选发电机转子的励磁电流的情况下，在调节一个或多个转子叶片和/或在转子叶片处的一个或多个流动元件的情况下，在调节风能设备的吊舱的方位位置的情况下。
此外已经证实为有利的是，借助于操控转子处的组件的迎角，尤其转子叶片的桨距角和/或迎角和/或一个或多个转子叶片处的流动元件，在预设要输出的电功率、空气密度和声发射、尤其一个或多个用于描述声发射的声压S的重要的声压水平SPL的条件下，影响和/或设定转速。
附图说明
本发明的实施方式现在在下文中根据附图描述。所述附图不应一定符合比例地示出，更确切地说，用于阐述的附图在以示意的和/或轻微变形的方式构成。关于从附图中直接可见的教导的补充，参照提出的现有技术。在此要考虑的是，能够执行关于实施方式的形式和细节的多种变形和改变，而不偏离本发明的普遍构思。在说明书中、在附图中以及在权利要求中公开的本发明的特征能够单独地和以任意的组合对于本发明的改进方案是重要的。此外，由至少两个在说明书、附图和/或权利要求中公开的特征构成的全部组合落入本发明的范围中。本发明的普遍构思不限制于在下文中示出的和描述的优选的实施方式的准确的形式或细节或者不限于主题，所述主题与在权利要求中要求保护的主题相比是受限的。在给出测量范围的情况下，位于提到的界限之内的值也应作为极限值公开并且可任意地使用和要求保护。出于简单性，下面为具有相同的或相似的功能的相同的或相似的部件使用相同的附图标记。
本发明的其他优点、特征和细节从下面对优选的实施方式的描述中以及根据附图得出；所述附图示出：
图1示出根据一个优选的实施方式的具有塔和吊舱的风能设备；
图2示出根据一个优选的实施方式的示例性地具有三个风能设备的风电场；
图3示出关于参考声压的具有声压水平轮廓(以dB为单位的SPL)的归一化的转速-密度图表，用于产生方法的一个优选的实施方式，其中修正调整的转速，并且借助于修正的转速在修正的声发射极限处运行设备；
图4示出具有涉及用于WEA(风能设备)的声发射的重要的声压的轮廓的归一化的转速-密度图表，例如在考虑(II)的情况下和涉及功率或者例如在考虑(I)作为在WEA(风能设备)运行时的边界条件的情况下；
图5A示出用于转速修正的闭环控制回路的视图，其中具有在WEA在全负载下运行时声压S和功率P的选择性的边界条件；
图5B示出用于转速修正的闭环控制回路的视图，其中具有在WEA在部分负载运行时声压S和功率P的选择性的边界条件。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104处设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和整流罩110。转子106在运行中通过风置于转动运动进而驱动吊舱104中的发电机。
图2示出示例性地具有三个风能设备100的风电场112，所述风能设备能够是相同的或不同的。三个风能设备100因此基本上代表风电场112的任意数量的风能设备。
风能设备100经由电场网络114提供其功率，即尤其所产生的电流。在此，各个风能设备100分别产生的电流或功率相加并且通常设有变压器116，所述变压器将电网中的电压升压变换，以便随后在馈入点118处馈入到供应网120中，所述馈入点通常也称作为PCC。图2仅是具有控制装置的风电场112的简化图。电场网络114例如也能够以其他方式构成，例如也通过如下方式：在每个风能设备100的输出端处存在变压器，以便提到仅一个其他实施例。
图1的风能设备或根据图2的风电场的每个风能设备或根据图2的风电场当前配设有用于开环控制和/或闭环控制的装置200(开环控制和闭环控制装置200)作为具有闭环控制器220的运行管理装置的一部分。所述闭环控制器220控制具有例如用于风能设备100的转子叶片、发电机和吊舱的相应的声学装置或作动器301、302、303的作动装置300。
开环控制和闭环控制装置200根据图1和图2经由信号线路231从传感装置230得到测量信息，所述信号线路涉及开环控制和闭环控制装置200的测量模块210。
所述测量模块210具有用于测定密度的第一测定单元211和用于测定风能设备的转子的转速n的第二测定单元212。
此外，作为闭环控制器220的一部分设有预控单元221，例如具有一个或多个保存的运行特征曲线R(n’，n*)的计算单元等，所述预控单元能够根据以密度调整的运行特征曲线R(n’)预设调整的转速n’和/或预设继续修正的转速n*；当前此外根据计算的声压S预设运行特征曲线R(n*)。
这样调整的和/或修正的转速n’、n*——即根据预控单元221调整的转速n’，所述调整的转速附加地或替选地(优选附加地)根据声压S和/或以密度调整的功率P修正成转速n*——能够经由其他信号线路232提供给风能设备100和其相应的作动装置300。由此，能够进一步地调整转速n*，使得在考虑密度的情况下调整的功率和声压S是优化的。
如在开始中提到的，当前在假设标准大气的条件下执行用于风能设备(WEA)的功率计算。在此为空气密度ρ_Luft使用的正常密度ρ_norm为ρ_norm＝1.225kg/m3。然而在大的高度和/或具有平均提高的温度的所在地处，该假设至少不再定量符合，并且能够出现基于所使用的标准密度ρ_norm的、朝向直至设计条件的大约20％的较小的值的相当大的密度中的偏差。
与现有技术不同地提出，根据本发明在密度较小时也保证风能设备(WEA)的相应的比功率；但是在否则风速相同并且转速首先也相同的情况下，通过提高的转速能够补偿较小的密度。WEA那么借助大于理论转速n_soll的转速运行。通过较高的转速最终也可预期AEP(annual energy production，年发电量)的提高的值。因此，风能设备的设计按照根据IEC(International Engineering Code，国际工程代码)的预定的温度范围进行。
同时此外要注意的是，转速提高引起风能设备(WEA)的提高的声发射。调整的运行管理装置如在图5A和5B中示出的那样在优选的实施方式的范围中考虑如下两个因素：功率P和声压S。
基于理论估计可能的是，在假设功率恒定、即可选地声压S也恒定或尽可能相同的条件下，转速n匹配于运行特征曲线R(n)、WEA的额定和理论转速。对于恒定的功率P能够——根据n’＝n_korr借助下式执行转速修正，即如由本发明根据第一变型形式已知的那样：
Figure GDA0002725857360000121
转速n_norm在此涉及对应于运行特征曲线(BKL)的转速。
基于如下内容，造成的声压S不改变，因此——根据本发明的第二变型形式——也能够借助下式根据n*＝n_korr使用转速的修正：
Figure GDA0002725857360000122
与第一修正相比，关于保证的声压S的转速甚至还能够轻微提高。这会提高发电机的效率。
图3对此示出涉及对额定转速n_nenn归一化的转速n_quer关于对正常密度ρ_norm归一化的密度ρ_quer的修正图K。可见，在x轴上为归一化的密度ρ_quer，在y轴上为归一化的转速n_quer，二者对参考变量n_nenn 或ρ_norm归一化。轮廓对应于与保证的声压S的偏差(在此例如为用于声压水平SPL或声压功率水平的决定值)。在比参考密度的小的密度的范围中(1.225kg/m3)，如可见的那样，转速n＞n_nenn可移动，即沿着0-dB轮廓；即修正调整的转速并且借助于修正的转速在修正的声发射极限(对应于例如借助于预设的声压水平SPL对声压S的预设)运行设备。换言之，即设备——可能单独地关于声压S或与关于功率P组合地——即关于预期的声发射调节。声功率水平或声压水平SPL在此几乎确定，即通过模拟地检测密度ρ和转速n。通过这种调节，在具有较小密度的空气(更热的空气和/或在海平面之上的更大的高度)的特定的所在地实现提高的AEP(annual energy production，年发电量)。
这就是说：在由于所在地特定的参数(所在地的高度，温度)密度明显更小的情况下，预期的声压S降低。对于密度，修正是可行的，并且根据本发明借助于一个或多个保存的调整的运行特征曲线R(n’，n*)来设置。
如果更低的密度是提高的温度的结果，那么在所述尤其优选的实施方式中，附加地还考虑温度T对声速c0的影响。因为提高的声速引起更低的马赫数，所以能够预期声压水平SPL的进一步的小的降低。降低的预期的声压S能够用于调整额定转速。由此，声压会再提高。然而，在简化假设的条件下能够估计，声压S由于提高的转速造成的提高与由于较小的密度造成的降低相比变小。
详细地：
在海拔高的所在地处——例如Tchamma，智利——在声速相同的情况下密度降低。在其他所在地处，降低的密度能够由于升高的环境温度存在。在后一种情况下，声速c0也作为温度的函数改变：
Figure GDA0002725857360000131
其中等熵指数κ和空气的比气体常数R能够视作为常数。密度同样随温度变化。
在本体的涡流环流的情况下，声音生成能够根据莱特希尔声类比根据出版物“M.J.Lighthill,“On sound generated aerodynamically.I.General theory(空气动力学产生的声音I.一般理论).,”Proc.R.Soc.伦敦,211卷,1107号,第564-587页,1951”描述。在简化地假设不可压缩的流动的情况下，遵循在声压和密度之间的线性关系。
根据出版物“Ffowcs-Williams Hall in J.E.Ffowcs Williams and L.H.Hall,“Aerodynamic sound generation by turbulent flow in the vicinity of ascattering half plane(由散射半平面附近的湍流产生的空气动力学声音).,”J FluidMech,第40卷,第657-670页,1970”，后缘噪声与密度和声速经由下式关联：
p′∝ρ0Ma2.5。
根据出版物“Amiet等在“J sound Vib.第41卷第4号第407-420页(1975)””可预期类似的比例关系。
因此提出，声压(SPL-sound pressure level)在密度改变时经由简单的缩放规则计算，这通过测量密度ρ对涡流噪声(具有吸力侧和压力侧分量以及具有通过分离感应的量值)的影响确定：
Figure GDA0002725857360000141
类似的缩放也适用于偏差的声速或马赫数，这同样可以经由改变的声速c0对不同的噪声机制的影响来证实：
Figure GDA0002725857360000142
在此，下标n涉及调整的环境变量并且ref涉及对应于标准大气的大小。
一方面关于风功率适用的是：
Figure GDA0002725857360000143
在此，A为流过的面积，η为发电机效率并且cp为功率系数。功率系数在下文中假设为常数。如果功率P保持恒定，那么对于叶尖速度vtip遵循
Figure GDA0002725857360000151
因此功率线性地随着空气密度下降。
另一方面，在假设声速c0恒定的条件下对于马赫数利用关系(6)适用的是：
Figure GDA0002725857360000152
(公式p’中的)声压S借助密度和马赫数如下缩放：
p′～ρMa2.5 (8)
现在如果将关系式(7)用在(8)中，那么对于声压S(公式p’中)在调整的转速下适用的是：
Figure GDA0002725857360000153
在设备功率相同、转速调整和密度更小的情况下，声压S因此应比在正常条件下小。
如在图4中示出的，因此一方面适用的是：在功率相同的情况下，在空气密度ρ减小时存在提高的迎流速度。运行特征曲线中的转速和理论转速那么能够根据下式调整，以便经由转速将叶尖速比保持恒定：
Figure GDA0002725857360000154
(对应于公式I；尤其n_korr＝n’)
在此，ρnorm是正常密度，运行特征曲线初始针对所述正常密度建立，并且n_korr是相对于初始在运行特征曲线中限定的转速n修正的转速n’。
附加地或替选地，也可能的是，调整转速，使得声压S(在公式p’)中保持恒定。根据方程(8)声压S(在公式p’)中与密度和马赫数或叶尖速度相关。
Figure GDA0002725857360000161
得出，在声压S相等的情况下，转速对应于密度如同样在图4中示出的那样能够借助下式改变：
Figure GDA0002725857360000162
(对应于公式II，尤其n_korr＝n*)。
根据方程(12)因此甚至可能使用与方程(10)相比略微更高的转速n*。
在图5A中为在全负载下的运行例如在闭环控制的范围中阐述用于运行根据图1或图2的风能设备的方法，所述风能设备具有转子和经由转子驱动的用于产生电功率的发电机。全负载运行涉及基本上从额定速度开始的风能设备的运行。通常，如果风速已经达到额定风速，那么能够达到额定功率。对于所述方法，在第一步骤中借助于测量模块210实现改型的预控制I。在所述预控制I的范围中，测定对于风能设备重要的环境变量M，所述环境变量包括至少一个对于风能设备重要的空气密度。首先当前在改型的作为图5A的实施方式的测量模块210的一部分的预控制中，密度ρ_Luft通过同时测量空气压力p_Luft、温度T_Luft和可能的相对湿度
Figure GDA0002725857360000163
Figure GDA0002725857360000164
来确定。将检测的值直接用于预控制和/或闭环控制设备转速n；即经由在图5A中示出的预控单元221，例如借助具有保存的运行特征曲线R(n’，n*)的计算单元等。为了抑制测量值的高频波动，将测量值借助滑动平均值等滤波(未示出)。此外，相应地调整设备开环控制。作为设备值A测定转子的转速n作为n_IST，并且预设发电机的要输出的电功率P_SOLL和声压S或可能还有功率极限Lp_max。
风能设备、尤其发电机、即在此发电机的励磁电流规定为用于根据运行管理产生要输出的功率，所述运行管理说明转子的转速和要输出的功率之间的关联，在此包括运行特征曲线R(n’，n*)或在图3中描述的轮廓K作为预控制I的一部分，所述预控制配属于测量模块210。在此根据对于风能设备重要的空气密度ρ_Luft调整运行管理。
为了在全负载区域中用于执行根据图5A的实施方式的方法的下面的闭环控制回路II或在部分负载区域中用于执行根据图5B的实施方式的方法的闭环控制回路III，那么在考虑根据存在的空气密度ρ_Luft修正的转速n→n_korr＝n’和/或n_korr＝n*的条件下，自动地调整运行管理。此外优选地，在包含瞬时空气密度ρ_Luft的条件下和在确保在观察最大声发射时预测的收益的条件下可实现在转子处的进一步优化的空气动力学的迎流关系。由此尤其能够维持整体保证的功率P(基于要输出的电功率——在部分负载运行中的P_SOLL或在全负载运行中的额定功率)还有上部声压S(例如基于预设的声压S或可能的发电机的功率限制Lp_max)。
整体上，在经由提高的设备转速n→n_korr(n’或n_korr＝n*)低的瞬时空气密度ρ_Luft的情况下，最终也可预期与如下运行方式相比提高的年发电量(annual energyproduction)AEP(annual energy production)，所述运行方式在风能设备100高于海平线的大的搭建高度下不考虑朝向更低密度的明显的密度变化。
因此，在此利用调整的运行管理来预设风能设备的转子的调整的转速n’、n*，用于产生要输出的电功率，调整的运行管理包括调整的运行特征曲线R(n’，n*)或在图3中描述的出自预控制I的轮廓K，即利用对于风能设备重要的空气密度。尤其地，这用于借助于闭环控制器220产生优化的要输出的电功率P，其中调整的转速n’、n*通常是在空气密度较低时关于正常转速n(在正常假设的空气密度下)提高的转速n’、n*。
重要背景是，在空气密度ρ由于所在地特定的参数(所在地的高度，温度的高度)明显更小时，预期的声压S进而WEA的基本上重要的声发射也降低。
对于密度ρ，可能借助根据上述公式(3)预设声压水平SPL来修正预期的声发射，并且所述预期的声发射同样能够输入到运行管理装置中，例如在图5A中或5B中作为调整的运行特征曲线R(n’，n*)。
如果较低的密度是提高的温度的结果，那么附加地还能够考虑温度T对声速的影响。
在考虑就此而言为为每空气密度ρ和/或声压S调整的运行特征曲线R(n’，n*)和/或在图3中描述的轮廓K的条件下，(附加地或替选地)能够利用对于风能设备重要的空气密度为转子的预设的转速n或已经密度调整的转速n’测定风能设备的声发射。优选地，因此不仅将预设的转速n修正成n*，而且附加地也将已经密度调整的转速n’修正成n*，即基于利用对于风能设备重要的空气密度ρ和用于测定的声发射S的声压S。
因为提高的声速引起更低的马赫数，所以能够预期声压水平(SPL)的还更小的降低。因此降低的预期的声压S能够也在调整的运行特征曲线R(n’，n*)中用于调整额定转速n*。由此，声压会再次提高。然而，在简化的假设的条件下能够估计，声压S由于提高的转速n*造成的提高与由于更小的密度ρ造成的降低相比更小，借此也根据图3中的轮廓K提供预控制I。
在所述在本发明的构思的范围中借助于测量模块210改型的预控制I处，对于全负载运行连接有根据图5A的用于控制和/或调节的装置200(控制和调节装置200)的闭环控制回路II的调节路段，运行管理装置对此具有一个或多个上述闭环控制器220；所述闭环控制器能够如阐述的那样在考虑转速差Δn＝n_SOLL–n_IST的条件下并且关于其在预控制I中借助于测量装置210闭环控制根据调整的运行特征曲线R(n’，n*)调节的功率P(额定功率)和/或声压S——但优选地，如示出的那样，尤其转速n→n_Soll＝n_korr保持恒定或保持在范围中。闭环控制的目标通常在全负载运行中为基本上恒定的转速，在任何情况下处于测量的带宽的范围中的转速。调节路段原则上还配设有闭环控制回路II，所述闭环控制回路具有作动装置300和相应的执行器或作动器301、302、303，其顺序在此仅是示例性的。所述调节路段能够——如在上文中所述针对全负载运行，尤其也针对部分负载运行——例如闭环控制转子叶片的叶片角α_Rot、发电机的励磁电流I_E和/或风能设备(未示出)的吊舱或转子的方位角，如这例如根据图1和2并且针对图5B中的部分负载运行详细阐述。
结果是，同样对于全负载运行出现提高的转速n_IST，所述提高的转速对于能够与根据密度调整的功率P和/或根据密度调整的声压S的目标值，即调整的转速n’和/或修正的转速n*相应。
在图5B中借助用于在部分负载下运行的闭环控制回路III例如在闭环控制的范围中阐述用于运行根据图1或图2的风能设备的方法，所述风能设备具有转子和经由转子驱动的用于产生电功率的发电机。
在风弱至使得风能设备100还不能够以其最大输出功率运行的部分负载运行中，根据风、即根据风速调节输出功率。部分负载运行因此是如下运行，在所述运行中风能设备由于过弱的风还不能够达到其最大输出功率，其中所述风能设备因此尤其还不能够达到其额定功率。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，部分负载运行也涉及风能设备直至额定风速的运行。
在部分负载运行中，闭环控制回路III的闭环控制器220又在考虑转速差Δn＝n_SOLL–n_IST的条件下并且关于其在预控制I中借助于测量装置210得到根据调整的运行特征曲线R(n’，n*)设定的功率P和/或声压S作为预设；在此根据降低的密度ρ如在上文中阐述的那样研究调整的或修正的转速n’、n*。
因此，在调节发电机的条件下，即尤其在调节优选发电机转子的励磁电流I_E的条件下，优选也在考虑用于声压S的预设的条件下，能够调节风能设备以产生要输出的功率P_Soll。附加地或替选地也能够借助于作动器302调节一个或多个转子叶片的叶片角。这例如能够借助相应的桨距驱动器来实现，或者借助作动器302中的用于转子叶片处的一个或多个流动元件的调节角的驱动器来实现。也能够借助于作动器303调节风能设备的吊舱的方位位置。
结果是，也对于部分负载运行基于提高的转速，和/或对于闭环控制回路III出现提高的转速n_IST，所述闭环控制回路那么对应于经密度调整的功率P的目标值和/或经密度调整的声压P，即在调整的转速n’和/或修正的转速n*的情况下。在部分负载运行中，风能设备因此为了产生要输出的功率根据闭环控制回路III在设定发电机的励磁电流I_E和/或转子叶片的叶片角α_Rot和/或吊舱的方位角的条件下调节，以将实际功率P_Ist与额定功率P_Soll根据功率差ΔP比较，如示例性地在图5B中示出的那样。

Claims (21)

1.一种用于运行风能设备的方法，所述风能设备具有转子和经由所述转子驱动的用于产生电功率的发电机，所述方法具有如下步骤：
-测定对于所述风能设备重要的环境变量，所述环境变量包括至少一个对于所述风能设备重要的空气密度，
-测定所述转子的转速，
-预设所述发电机的要输出的电功率，
-根据运行管理，调节所述风能设备，以产生所述要输出的电功率，所述运行管理给出在所述转子的转速和所述要输出的电功率之间的关联，其中
-根据对于所述风能设备重要的空气密度来调整所述运行管理，
其特征在于，
-(I)利用调整的运行管理进而利用对于所述风能设备重要的空气密度来预设所述风能设备的所述转子的调整的转速，以产生要输出的电功率，其中为了产生优化的要输出的电功率，所述调整的转速在空气密度降低时是提高的转速，其中附加地
-(II)利用对于所述风能设备重要的空气密度为所述转子的调整的转速测定所述风能设备的声发射，和
-基于测定的声发射，利用对于所述风能设备重要的空气密度，修正所述调整的转速。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述空气密度作为重要的环境变量是相对于标准大气的正常密度降低的空气密度，并且根据对于所述风能设备降低的空气密度来调整所述运行管理。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-基于利用对于所述风能设备重要的空气密度测定的声发射，所述修正的转速相对于所述调整的转速更进一步地提高，或者
-所述修正的转速相对于所述调整的转速不更进一步地提高，并且所述风能设备在声发射还更低或保持不变的情况下运行。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
基于利用对于所述风能设备重要的空气密度测定的声发射，限制所述调整的转速。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-所述运行管理包括转速-功率运行特征曲线(n/P运行特征曲线)，其中
-根据对于所述风能设备重要的空气密度来预设调整的转速-功率运行特征曲线，并且为了产生要输出的电功率，基于所述调整的转速-功率运行特征曲线在所述运行管理中调节所述风能设备，其中
-将预设的且调整的当前转速在所述运行管理中预设并且之后借助于开环控制和/或闭环控制来调节。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述空气密度是在风能设备的地点处的当前的空气密度，连续地测量并且动态地调整所述空气密度，和/或是在所述风能设备的地点处通常占优的空气密度，所述空气密度一次或重复地测量并且静态地调整。
7.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
从测量的环境值中确定所述空气密度，其中所述环境值也包括对于所述风能设备重要的空气温度。
8.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
从测量的环境值中确定所述空气密度。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
所述环境值包括空气压力和相对空气湿度。
10.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-在标准大气中为所述转子的转速测定所述风能设备的正常的声发射，和
-利用对于所述风能设备重要的空气密度和/或空气温度，将所述正常的声发射与用于所述转子的调整的转速的风能设备的声发射进行比较，和
-基于所述声发射，修正和可选地限制所述风能设备的所述转子的调整的转速。
11.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-借助于用于修正的声发射的修正的转速运行所述风能设备，使得所述风能设备在修正的声发射极限处运行。
12.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-首先在考虑标准大气的预定的正常密度的条件下调节所述转子的转速，和
-随后在考虑对于所述风能设备重要的空气密度和/或空气温度的条件下预设所述调整的转速，其中
-修正所述调整的转速，并且基于在所述修正的声发射极限处的修正的转速来运行设备。
13.根据权利要求11所述的方法，
其特征在于，
所述空气密度是相对于正常密度降低的空气密度并且所述修正的转速一方面是相对于用于标准大气的转速提高的转速，并且另一方面是相对于所述调整的转速进一步地提高和/或受限的转速。
14.根据权利要求13所述的方法，
其特征在于，
所述修正的转速与空气温度相关。
15.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
为了产生要输出的电功率，在预设所述调整的转速(n’)和/或调整的和修正的转速(n*)的条件下以及
-在全负载运行中，在闭环控制所述转速的条件下和/或，
-在部分负载运行中，在调节所述发电机的条件下，在调节励磁电流的条件下，在调节转子的一个或多个转子叶片和/或转子叶片处的一个或多个流动元件的条件下，
-和/或在调节用于所述风能设备的吊舱的方位角的条件下，
调节所述风能设备。
16.根据权利要求15所述的方法，
其特征在于，
在部分负载运行中，在调节发电机转子的励磁电流的条件下，调节所述风能设备。
17.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在部分负载运行中，在预设所述要输出的电功率、所述空气密度和所述声发射的条件下，借助于操控所述转子处的部件的迎角，影响和/或调节转速。
18.根据权利要求17所述的方法，
其特征在于，
在部分负载运行中，在预设所述要输出的电功率、所述空气密度和所述声发射的条件下，借助于操控转子叶片的桨距角和/或迎角和/或转子叶片处的一个或多个流动元件，影响和/或调节转速。
19.一种用于开环控制和/或闭环控制风能设备的装置，所述装置具有运行管理装置，所述运行管理装置构成用于执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述运行管理装置包括转速-功率运行特征曲线(n/P运行特征曲线)，其中调整的转速-功率运行特征曲线在所述运行管理装置中建立，并且根据对于所述风能设备重要的空气密度预设，并且所述风能设备为了产生要输出的电功率借助于所述调整的转速-功率运行特征曲线运行。
20.一种风能设备(100)，所述风能设备具有转子和经由所述转子驱动的用于产生电功率的发电机，并且具有根据权利要求19所述的用于开环控制和/或闭环控制风能设备的装置。
21.一种风电场(112)，所述风电场具有多个风能设备(100)，所述风能设备为了馈送由多个风能设备产生的电功率而经由共同的馈送点(118)连接于供电网络(120)，并且其中所述风能设备中的至少一个是根据权利要求20所述的风能设备。
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