CN111094742B - 风能设施和用于运行风能设施的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行风能设施(200)的方法，该风能设施用于从风中产生电功率，其中风能设施(200)具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有转子毂和可在其叶片角(α)方面进行调整的转子叶片(201、202、203)，并且所述空气动力学转子还能以变化的转速运行，并且风能设施(200)具有与空气动力学转子耦联的用于产生发电机功率的发电机，其中发电机能以变化的发电机力矩运行，所述方法包括步骤：确定负荷变量，所述负荷变量表示风能设施(200)由于风受到的负荷；和在负荷运行中根据负荷变量减小转速和/或发电机功率，其中将作用于风能设施(200)的至少一个力变量(F)用于确定负荷变量或用作为负荷变量。

Description

风能设施和用于运行风能设施的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行风能设施的方法。此外，本发明涉及一种这样的风能设施。
背景技术
风能设施是已知的，并且所述风能设施从风中产生电功率。然而，如果风过大，尤其是如果风速达到风暴风速，那么能够有意义的是，为了防护，关断所述风能设施并且特别是将其带入顺桨位置中，使得所述风能设施尽可能少地提供风暴作用面。
为了防止这种关断，或者至少推迟这种关断，使得仅必须尽可能晚地、即在尽可能高的风速下，才实际上关断所述设施，提出一些解决方案，在非常高的、危险的风速下，首先仅减小所述风能设施的转速或功率。对此的示例在公开文献DE 195 32 409中给出。替代在该处关断所述风能设施，在该处从较早的关断速度开始，随着风速进一步提升，降低转速和功率。
尽管这种调节已经被证实为有利的，但是仍能够提供改进方案。
例如，风能设施的负荷并非仅来自盛行的风速，即平均风速，而是风的阵风性也能够对于负荷产生重要作用。风向方面的变化也会对负荷产生重要作用。
可以通过相应快速移开特征曲线来考虑阵风性，即当阵风仅被视为风速的快速变化时。但是，这会需要相应快速的调节。
能够通过相应地调整方位角来考虑变换的风向。但是在此也需要快速调节，以实现减少负荷。
此外，在这种快速调节的情况下，既关于变化的风速也关于变化的风向改变所述风能设施的设定，特别是也改变转子叶片的叶片角，这又影响负荷。
同样附加地，现代的风能设施具有越来越大的转子，所述转子的直径能够为140米和更大。在这种大的转子直径和相应大的转子面积，即被转子叶片扫过的面积的情况下，于是局部变化的风速也起到重要作用。
因此存在许多会提高风能设施的负荷的因素。还要注意的是，风能设施的过载并不会自动引起损坏，而相反疲劳现象会对风能设施的总使用寿命产生影响。就此而言，待预期的风暴负荷及如何对其进行反应已经对于风能设施的设计起到重要作用。
解决该问题的一种可能性是，风能设施的减小负荷的运行方式设计为，使得提供安全储备。因此，所述风能设施能够例如小心地以比可能需要的转速和功率更小的转速和更小的功率运行。借助这种调节，可以确保风能设施的安全性和所计算出的运行时间，但是这必须以损失收益为代价。
德国专利商标局在关于本申请的优先权申请中检索到下述现有技术：DE 195 32409 A1；DE 10 2006 034 106 A1；US 2009/0060740 A1；US 2009/0261588 A1；WO 2015/086024 A1和WO 2017/036481 A1。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是，解决所描述的问题中的至少一个问题。尤其应提出一种解决方案，其中在高的风速下运行风能设施，使得所述风能设施不会过度地受到负荷，但是仍获得尽可能多的收益，其中优选也能够考虑到风的不规则性。至少应关于至今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施的方法。因此，运行风能设施以从风中产生电功率，所述风能设施具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有转子毂和可在其叶片角方面进行调整的转子叶片。所述空气动力学转子还能够以变化的转速运行。为此，所述风能设施具有与空气动力学转子耦联的发电机，以用于产生发电机功率。此外，所述发电机能够以变化的发电机力矩运行。所述发电机力矩例如能够受到在发电机的电枢中的励磁电流的影响。
为了运行所述风能设施提出，确定负荷变量，所述负荷变量表示风能设施由于风受到的负荷。因此提出，不仅要考虑风速，而且要直接确定负荷变量，进而获得关于风能设施的负荷的直接信息。然后能够直接考虑所述负荷，并且不需要或不考虑非常大的安全裕度。直接确定负荷变量还能够实现：可识别负荷并且从中估算对剩余使用寿命的影响。
现在提出，在负荷运行中根据负荷极限值减小转速和/或发电机功率。如果负荷变量达到可预先确定的负荷极限值，那么至少减小转速和发电机功率或变量中的至少一个变量。因此负荷被吸收，但是首先并未偏离风能设施的标准运行。然后能够切换到负荷运行中。这能够根据负荷变量进行，或者也能够基于风速检测进行。如果存在负荷运行，那么能够根据负荷变量来减小转速和/或发电机功率。特别有利的是，减小两个变量，因为它们两者都还减小了所述设施的负荷。但是，特别是也考虑，首先仅减小两个变量中的一个，并且然后随着负荷的增加也减小另一变量，从而减小这两个变量。
在最简单的情况下提出，当所确定的所述负荷变量达到可预先确定的负荷极限值时，在负荷运行中减小转速和发电机功率。因此在达到该负荷极限值时，才切换到负荷运行中。可预先确定的负荷极限值不必是下述极限值，自所述极限值起所述风能设施受到危害，而是也能够更低地选择该负荷极限值。此外，这也能够意味着或包含：不会立即同时减小转速和发电机功率。但是，在负荷运行中提供它们的减小，优选也同时并且刚好在开始时切换到负荷运行中时。
为此现在提出，作用到所述风能设施上的力变量被用于确定负荷变量。这能够直接是平移力，或者是沿转动方向或弯曲方向作用的力变量。这也能够表示：作用到所述风能设施上的力变量直接用作为负荷变量。因此，在此基于机械负荷。就此而言，作用到所述风能设施上的力变量也能够同义地称为作用到所述风能设施上的机械负荷。所述机械负荷也包含弯矩和扭矩或其组合。
在任何情况下都认识到，如果直接使用作用到所述风能设施上的力变量，那么能够实现直接的减小负荷的或限制负荷的调节。然后，能够从所述力变量中推导出净负荷。在此，对于风能设施的不同的部件也可能出现这种负荷。从经验值或之前记录的模拟中，必要时能够从在特定位置的负荷推导出在风能设施的不同位置的不同的负荷。在此，非强制性地将负荷，特别是所考虑的力变量，静态地视为一个值。也能够考虑力变量的变化，所述变化例如也以振荡的方式出现。根据这种特性，所基于的力变量在风能设施的不同部位处会引起相关的负荷峰值。
特别是能够从测量中确定作用到所述风能设施上的力变量，但是在此也能够考虑，所述力变量由多个测量值组成，或者为了确定所述力变量能够基于在风能设施的不同位置的多个测量值。例如，在具有三个转子叶片的现代风能设施中，能够在每个转子叶片处进行负荷测量，并且然后能够从在三个转子叶片处的所述负荷测量中确定在另一位置总计作用的力变量。
负荷运行特别是描述了风暴情况或风暴运行，其中出现对应于或超过风暴的风速。这样高的风速特别是会对风能设施带来巨大的负荷，或者甚至危害所述风能设施。
优选提出，检测毂弯矩，并且将所述毂弯矩用于确定负荷变量或用作为负荷变量。这样的毂弯矩特别是因此良好地适合作为负荷变量，因为作用到所有转子叶片上的力总计作用到所述毂上，进而决定性地影响所述毂弯矩。所述毂弯矩在此直接作用于转子叶片附近，所述转子叶片吸收了风能设施上的大部分负荷。此外，所述毂紧邻转子支承件，进而紧邻下述构件，所述构件必须决定性地吸收空气动力学转子上的负荷，进而必要时会损坏。
此外，所述毂弯矩不仅能够包含绝对值，而且也能够包含方向值。
特别是在风暴情况下，不仅会出现高的风速，而且所述风在此通常也是不规则的。风速不仅会随着时间快速改变，而且还会随着位置，特别是随着高度快速改变。现代风能设施具有大的转子面积，并且在转子面积上变化的风速会引起转子的负荷不均匀。这又能够反映在毂弯矩中。与仅通过高的风速引起相比，所述风能设施有时也会承受这种不均匀负荷或受到危害。因此也能够考虑，以风速作为风能设施的负荷的标准不是很有说服力，因为特定的风速取决于：所述风速如何变化和多强地变化，会引起非常不同的负荷，所述负荷的值不反映在高于风速水平的值中。
通过确定实际负荷变量，特别是毂弯矩，能够更好地考虑实际负荷。特别是，能够考虑在转子区上的不均匀的负荷，并且能够更有针对性地对其进行反应。特别是能够关于风速值根据风场或迟或早地减小转速和/或发电机功率。
代替毂弯矩或除了毂弯矩以外，也能够使用轴弯矩、轴向弯矩和/或塔顶弯矩来确定负荷变量或用作为负荷变量。关于毂弯矩的解释和优点根据意义也能够转用于这些力矩。
根据一个实施形式提出，为了检测作用到所述风能设施上的力变量，尤其为了检测毂弯矩，在转子毂上并且还或者替选地至少在转子叶片上，尤其在叶根上或在叶根处执行至少一次应变测量。优选地，在每个转子叶片上或在每个叶根上或在每个叶根处进行应变测量。优选地，在该处分别进行多次应变测量，尤其分别进行两次应变测量，以便由此能够记录不同的负荷方向。
在此认识到，这种负荷测量能够借助于应变测量，即测量分别借助于至少一个应变计以简单的方式进行，并且通常也能够用于其它应用。这样应变测量特别是能够提供用于单个叶片调整。但是在此提出，应用应变测量，以便从中检测总计作用到所述风能设施上的力变量，所述力变量适合于确定负荷变量。因此确定对于风能设施整体重要的负荷变量，然后将所述负荷变量用于负荷运行，以减小转速和发电机功率。
根据另一实施形式，所述方法的特征在于，对负荷变量的确定借助于系统方面的估算算法基于代表负荷的测量来进行。在此，也能够使用在多个位置的多次测量。在此，测量基本上理解为连续测量。连续测量在此也包括准连续测量，其中例如以高的采样率离散地进行测量。
尤其，基于在转子毂和还有或替选地在转子叶片的叶根上或在转子叶片的叶根的区域中的应变测量。在叶根的区域中的位置特别是在叶片适配器上，经由所述叶片适配器将相关的转子叶片固定在毂上。因此，所述测量或至少所代表的测量用作为这种估算算法的输入信号或输入变量。
这样的系统方面的估算算法特别是能够设计为如下计算规则，所述计算规则知道在相应的测量值和要确定的负荷变量之间的关系。例如，能够借助于应变计来测量在叶根上的负荷。然后从中借助于系统方面的估算算法获取作为负荷变量的弯矩。为此，在此在该示例中能够形成估算算法的计算算法基于在叶根上的相应的负荷与所产生的弯矩之间的关系，所述弯矩即例如为毂弯矩。
如果在测试构造中测量输入和输出变量，那么例如能够通过代表性测量来记录这种关系，所述代表性测量在此即为将在叶根处的测量值作为输入变量，并且将所得到的毂弯矩作为输出变量，从中例如能够通过已知的系统识别方法来创建用于该关系的系统模型。还能够考虑的是，经由载荷模拟来确定这种关系。这样的载荷模拟基于所述风能设施的相关元件的良好模型。例如，能够经由有限元方法确定这种模型。能够对于每个转子叶片记录和考虑关系。然后，在该示例中，从每个叶根上的负荷中产生根据量值和方向的部分毂弯矩，其中在此通常假定为三个转子叶片，进而假定三个叶根。所述部分毂弯矩例如能够考虑或示出为对应的矢量，即力变量矢量。如果存在三个转子叶片，那么这三个部分毂弯矩能够矢量地累加为总毂弯矩。
优选地，为了从叶根弯矩得出毂力矩，也能够执行矩阵乘法。其能够从力平衡中导出。
但是也能够考虑的是，对于毂弯矩补充另外的力，特别是重力。如果重力根据转子叶片的位置也作用到叶根上的相应吸收的叶片负荷上，必要时在这种情况下能够进行减法。根据一种变型方案，这种重量负荷也能够在考虑叶片位置的情况下分别包括到在叶根上的相应的负荷和所得出的部分弯矩之间的关系中。例如，如果叶片竖直向上竖立，那么处于所谓的12点钟位置中，并且作为图解说明性示例没有风作用到所述转子叶片上，这可以表示：通过应变计也无法检测到叶根上的负荷。但是，从转子叶片的位置和其重量中已知，仅该重量就已经引起毂弯矩，而这正是能够一并考虑的。替选地，所提到的应变计能够一并考虑这种重力。
就所使用的测量值而言，这也是一个优选的示例。但是，例如也能够考虑的是，从叶根上的负荷确定整个支承件负荷。也能够考虑的是，能够检测塔顶的运动进而从中推断出在塔顶上的负荷。
根据另一变型方案，系统方面的估算算法能够实现为状态观察器。在所述状态观察器中，代表性测量或至少一个代表性测量能够作为输入变量被输入。然后，所述状态观察器能够包含下述模型，所述模型例如具有转速作为输出变量，所述转速尤其从负荷中产生。所述模型在此如风能设施一样表现。经由将所述观察器的转速的输出与风能设施的通常以良好的精度存在的实际转速进行比较，能够形成观察误差，并且能够被反馈以用于设定所述观察器。如果例如通过调整叶片角来修正转速，那么用于调整叶片角的信号能够形成另外的输入参量，所述另外的输入变量也被输入到模型中。或者叶片调整信号能够形成唯一的输入变量，以便给出另一示例。
替选地，系统方面的估算算法或状态观察器能够实现为卡尔曼滤波器。
根据另一实施形式提出，根据在盛行的额定风下的正常运行中作为基本负荷检测到的负荷变量来确定负荷极限值。因此，在盛行的额定风下的正常运行中检测负荷，所述正常运行就此而言也能够同义地称为额定运行。这样的负荷能够预先在模拟中或者也在正在进行的运行中被记录。然后，根据这种负荷测量，能够将负荷极限值确定为较高的值，尤其是两倍那么高的值。但是，系统方面的预检查也能够确定负荷极限值相对于基本负荷大多少，所述基本负荷在额定运行中确定。
这具有的优点是，也会引起相应错误的负荷变量的系统测量误差是问题较少的，因为例如如果将负荷变量以20％过低地确定，那么在确定所述基本负荷时也会发生所述误差。这又再引起，将负荷极限值以相应20％过小地估算。那么，将过小地确定的负荷变量与过小地确定的负荷极限值进行比较，使得所述比较的结果仍然基本上是正确的。
优选地，根据所检测到的负荷来减小转速以及此外或替选地还有发电机功率。就此而言，所确定的负荷变量形成用于减小转速或发电机功率的输入变量。
这能够进行为，使得负荷变量不超过负荷极限值。因此，转速和发电机功率随着负荷变量的增大而减小，更确切地说，所述负荷变量不超过负荷极限值。例如，这能够经由相应的调节进行，其中将负荷极限值用作为期望值，并且将负荷变量用作为实际值。然后进行期望值-实际值比较，其中从负荷极限值中减去负荷变量，并且然后调节算法能够借助于这种所谓的调节偏差来减小转速和功率。
就此而言还提出，通过减小转速和发电机功率能够将负荷变量调节到负荷极限。因此能够一次性提供调节器，所述调节器构造为，使得负荷变量不超过负荷极限值。这能够表示：所述负荷变量也能够远低于负荷极限值。例如能够提出安全间距，并且能够通过如下方式实现：代替负荷极限值，使用比负荷极限值低的值，例如低10％的值，作为期望值。
对于将负荷变量调节为负荷极限值的情况，如果负荷变量尚未达到负荷极限值，那么所述调节原则上尝试也相应地提高转速和发电机功率。
根据一种设计方案提出，将转速和发电机功率减小为，使得所述负荷变量不超过负荷极限值，并且此外朝向远离风的方向分别调整转子叶片的叶片角，并且此外发电机力矩不超过发电机额定力矩，并且此外发电机力矩随着风速的增大而减小。
通过调整转子叶片远离所述风，转速减小，这引起卸载。附加地，到转子叶片上的迎流角减少，这同样引起卸载。附加地提出，所述发电机力矩不超过发电机额定力矩进而避免了相应的电过载，但是这也避免了由扭矩引起的过强的机械负荷。
此外提出，所述发电机力矩随着风速的增大而减小，如果所述转子叶片没有充分地转动远离所述风，这可以引起转速增大。但是，因为此外还提出减小转速，因此使转子叶片相应强地转动远离所述风，使得尽管发电机力矩减小，但仍发生转速减小。伴随于减小发电机力矩和减小转速，也减小了发电机功率。
因为不能通过传统的测风设备，特别是通过吊舱风速计来非常精确地检测风速，在此能够提出对风速的估计。在此能够从已知的叶片角、设定的发电机力矩和所得出的转速或转速的时间导数来获取所述风速。为了改进这种风速估计而提出，附加地考虑所确定的负荷变量。对风速的这种估计也能够通过系统方面的估计算法来进行。
根据一个实施形式提出，根据所确定的负荷变量来减小转速，并且根据用于负荷运行的转速-功率特征曲线来减小发电机功率，并且为此提出，用于负荷运行的转速-功率特征曲线与用于部分载荷运行的转速-功率特征曲线不同。在部分载荷运行中，风弱到使得无法达到发电机额定功率。因此，在此预设特殊的转速-功率特征曲线，并且这种转速-功率特征曲线给出要设定的功率值，即分别对于当前的转速给出用于发电机功率的值。例如，根据负荷变量，转子叶片的调整能够进行为，使得转速减小。然后设定转速，并且与该转速相关地，根据转速-功率特征曲线设定发电机功率。然后能够发生：这又对转速具有影响。然后改变能够转速，并且然后对于改变的转速能够再次设定用于发电机功率的新的值，直至产生稳定的工作点。该描述用于阐述，并且所描述的调节通常引起：所述调节将工作点引向转速-功率特征曲线上的稳定点。
优选地，根据负荷变量来调整转子叶片，优选地，使得所述负荷变量被调节为固定值。因此，在风负荷提升时，所述叶片进一步转动远离所述风，使得所确定的负荷变量因此不会由于风负荷的增大而升高。
所提及的用于负荷运行的转速-功率特征曲线与用于部分载荷运行的转速-功率特征曲线不同。也在部分载荷运行中能够提出，能够根据转速分别设定发电机功率。但是，在这种情况下常见的是，所述转子叶片保持固定的叶片角，并且转速变化仅从风的变化中产生。能够基于在部分载荷运行中的这种转速-功率特征曲线，直至风速达到或高于额定风速。
优选提出，用于负荷运行的转速-功率特征曲线至少在部分转速范围中，尤其在额定转速的10％至90％的转速范围中，总是具有比用于部分负载运行的转速-功率特征曲线更高的功率值。因此，与部分载荷运行相比，在相同转速下，用于负荷运行的转速-功率特征曲线基本上引起更高的功率。两个转速-功率特征曲线能够在零转速附近和额定转速附近相适应。
根据一个实施形式提出，为了馈送发电机电功率，将由发电机产生的电流进行整流并且输送给第一直流电压中间电路。此外提出，将经整流的电流从第一直流电压中间电路输送给第二直流电压中间电路。在此，在第一和第二直流电压中间电路之间设置有升压变换器。所述升压变换器必要时能够将第一直流电压中间电路的第一直流电压升压为第二直流电压中间电路的第二电压。此外，第二直流电压中间电路的电流借助于逆变器转换为交流电流，以馈入供电网中。为此，现在提出，所述升压变换器仅对于低于切换转速的转速将第一直流电压升压为第二直流电压，使得于是第二直流电压高于第一直流电压。为此，最后提出，在部分载荷运行中的切换转速高于在负荷运行中。
因此能够实现，电功率的馈入，包括对升压变换器的特殊操控，也适配于风暴运行。换言之，在负荷运行中，仅较小的转速范围使用升压变换器运行。关于风速，因此在负荷运行中仅非常晚，即在非常高的风速下才切换到升压变换器运行。
根据一个实施形式提出，所述毂弯矩根据转子位置在最大和最小的毂弯矩之间发生变化，并且为此提出，根据最大的毂弯矩来确定负荷变量。因此，在这种情况下，较低的毂弯矩被丢弃，并且仅确定最大的毂弯矩。因此能够确保：实际上也考虑最终最关键的大的毂弯矩。
此外或替选地提出，根据在最大和最小的毂弯矩之间的差来确定负荷变量。在这种情况下，能够作为变型方案考虑的是，仅从所述差确定负荷变量。在此特别要考虑的是，在通过转子的转动引起大的负荷的情况下，载荷波动也会增加。例如，能够通过如下方式产生毂弯矩的这种变型方案：相应的转子叶片在穿过塔时，即如果转子叶片转动经过所述塔，那么会经历较强的负荷波动，所述负荷波动随着风速的增大也增大。随着高度变化的风速也能够是毂弯矩或其它负荷变量变化的原因。也能够考虑的是，使用这种负荷波动，即在最大和最小的毂弯矩之间的差，以毂弯矩的绝对值作为补充，来确定负荷变量。
此外或替选地，分别将最大的毂弯矩视为负荷变量。因此，负荷变量并非根据最大的毂弯矩间接确定，而是最大的毂弯矩分别直接形成负荷变量。在此，所述负荷变量当然能够被定标以在过程计算机中进行处理。
根据另一变型方案提出，将在最大和最小的毂弯矩之间的差视为负荷变量。也在此，所述差不仅形成输出变量，以便确定这种负荷变量，而且所述差也直接用作为负荷变量。当然，在此也考虑定标。
根据本发明，也提出一种用于从风中产生电功率的风能设施。这种风能设施包括空气动力学转子，所述转子具有转子毂和可在其叶片角方面进行调整的转子叶片。所述转子还能够以变化的转速运行。此外，所述风能设施具有与空气动力学转子耦联的发电机，借助所述发电机产生发电机功率。所述发电机能够以变化的发电机力矩运行。所述发电机力矩还能够通过如下方式变化：励磁电流发生变化。就此而言，在此特别是设有外部激励的同步电机。
此外，设有一种检测装置，以用于确定负荷变量，即负荷变量，所述负荷变量表示通过风引起的风能设施的负荷。因此，所述检测装置工作为，使得所述检测装置例如从多次测量或一次测量中确定这种负荷变量，并且然后所述负荷变量代表负荷。然后，所述负荷变量例如根据其值表示：风能设施受到风的负荷的程度有多强。此外，设有一种控制装置，所述控制装置配置用于在负荷运行中减小转速和/或发电机功率。这种负荷运行是下述运行，在所述运行中所述负荷变量达到可预先确定的负荷极限值。这也能够包含下述情况：所述负荷变量超过可预先确定的负荷极限值。这能够是用于负荷运行的定义。但是也能够考虑，负荷极限值形成针对负荷情况的定向值，也能够超过所述定向值。
因此，能够首先识别：是否存在负荷运行。如果存在负荷运行，那么所述控制设备能够控制转速和发电机功率的减小。这例如能够进行为，使得输出用于调整转子叶片的调整信号，使得空气动力学转子吸收较少的风力，由此能够减小转速进而减小发电机功率。这在控制技术上能够实现为，使得为此预设降低的期望转速。
此外，所述检测装置配置用于，将作用到所述风能设施上的力变量用于确定所述负荷变量或作为负荷变量。相应地，所述检测装置能够记录关于这种力变量的信息。这样的信息能够被处理，以确定这种力变量。然后能够根据这种力变量确定负荷变量。替选地，所述力变量已经能够为负荷变量。但是也能够考虑，使用作用到所述风能设施上的多个力。然后能够从中确定负荷变量。如果所述负荷变量例如是矢量的，那么甚至能够考虑使用作用到所述风能设施上的多个力作为负荷变量，进而能够包含多个力，例如纵向力和横向力。
优选的是，所述风能设施配置为用于执行根据上述实施形式中的至少一个实施形式所述的方法。尤其，为此能够实施相应的方法步骤，特别是用于在控制装置上进行控制的方法步骤。此外或替选地，能够在检测装置中实施方法步骤，尤其是用于确定所述负荷变量的方法步骤。
也能够考虑的是，所述风能设施具有相应的硬件，尤其是用于检测物理变量尤其电变量和/或机械变量的测量机构。
根据一个实施形式提出，为风能设施设有至少一个力测量机构，以检测作用到所述风能设施上的力变量或者检测毂弯矩。此外，设有至少一个力测量机构与检测装置的至少一个连接，以便将至少一个力测量机构的测量值传输给检测装置，以随后根据所述测量值确定负荷变量。因此，能够借助力测量机构测量相应的力变量，并且能够将结果传输给检测装置。然后，所述检测装置能够从中确定所述负荷变量。相应的导线，尤其是电导线设置作为至少一个力测量机构与检测装置的连接。其也能够构成为数据总线或信号总线。但是原则上也能够考虑的是，至少部分地使用无线电连接。特别是能够经由无线电，以光学方式或者例如经由滑环或者由这些可能性构成的组合来进行摆脱转动连接的传输。在该处也能够考虑光学传输。
尤其提出，至少一个力测量机构包括在转子毂上和/或在每个转子叶片上或在每个叶根上或叶根处的应变计。尤其，这种应变计形成力测量机构。
因此，风能设施能够借助所述力测量机构，特别是借助应变计记录相应的力，并且然后由此在检测装置中确定负荷变量。然后，所述负荷变量直接取决于这种机械测量。在此，因此评估实际上产生的力，以便从中确定负荷变量。然后，虽然所述负荷变量可能是简化的或组合的值，或者也是力矢量，但是基于力测量，进而基于实际的机械负荷。
就此而言，负荷运行是下述运行，如果风大到使得必须减小转速和发电机功率以保护所述风能设施，那么切换到该运行中。如果所述负荷变量例如超过负荷触发极限值，所述负荷触发极限值能够与负荷极限值相同或具有不同的值，尤其是更低的值，那么能够根据负荷变量触发这种负荷运行。但是，所述负荷运行也能够以其它方式接通，例如根据所检测到的风速。还能够根据叶片角来接通这种负荷运行。作为标准也考虑的是，组合这样的变量。特别是考虑评估负荷变量和叶片角。
附图说明
下面示例性地根据实施例参考附图详细阐述本发明：
图1示出风能设施的立体图。
图2示出用于检测作为负荷变量的毂弯矩的图解结构。
图3示出用于在负荷运行中减小转速和发电机功率的结构。
具体实施形式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设施100。在吊舱104上设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和一个导流罩110。所述转子106在运行中通过风而置于转动运动中，进而驱动在吊舱104中的发电机。
图2象征性地示出风能设施200的一部分。所述风能设施200具有三个转子叶片201、202和203。所述转子叶片固定在毂上，所述毂设置在吊舱206中。三个转子叶片201、202和203分别经由叶根211、212或213固定在吊舱上。应变计221、222或223作为力测量机构分别设置在每个叶根211至213上。图2对于每个叶根211至213分别示出应变计221至223。但是，优选地，对于每个叶根设有至少两个彼此偏移90度的应变计。任何情况下，借助每个应变计221至223分别确定力变量F1、F2或F3。所述力变量在此能够是弯矩，所述弯矩从相应的应变计的测量值中获得。这三个力变量F1至F3被输入到检测块230中。在此，所述力变量F1至F3也能够分别是矢量变量，所述矢量变量表示根据量值和方向在相应的叶根211至213上的相应的力。因此，在检测块230中首先检测这样检测到的所述力变量F1至F3。
附加地，在检测块230中输入叶片角α、转子转速n和转子位置β。在单个叶片调整的情况中，如果个体地调整所述转子叶片是可行的，即与两个其它转子叶片无关地调整每个单独的转子叶片，那么代替一个叶片角α，也能够记录三个单独的叶片角α1，α2和α3。
为了记录所述变量，即一个或多个叶片角α、转子转速n和转子位置β，示意性图解说明地示出运行控制块232。所述运行控制块232的使用特别是也应图解说明，所提及的变量原则上在风能设施200的运行控制装置中是已知的。就此而言，所述变量仅需要从运行控制装置中获取，对于所述运行控制装置，运行控制块232在此象征性地示出。仅为了图解说明的目的，所述运行控制块232设置在塔234的上部区域中。但是，通常所述运行控制装置进而还有这样的运行控制块232能够设置在吊舱206中，并且在该处直接从总体运行控制装置中获得所述变量。
在任何情况下，所述检测块230从输入其中的变量中分别计算出毂弯矩分量MB1、MB2和MB3。所述毂弯矩分量MB1、MB2和MB3能够分别归因于所检测到的力变量F1、F2和F3。换言之，分别从力变量F1、F2或F3计算出毂弯矩分量MB1、MB2和MB3，所述毂弯矩也能够称为叶根弯矩，并且对于该计算，还考虑变量α、n和β，即叶片角α、转子转速n和转子位置β。因此，所述检测块230的第一中间结果是这三个毂弯矩分量MB1至MB3，所述毂弯矩分量尤其每一个本身也能够表示为矢量。因此，所述毂弯矩分量MB1至MB3中的每个毂弯矩优选不仅是单个的标量值，而且还是表示幅度和方向的矢量。然后，这三个变量在合并块236中组合成唯一的负荷变量，即在图2的示例处组合成总的毂弯矩MB。如果这些单个毂弯矩分量MB1至MB3分别是矢量，那么该总的毂弯矩MB例如能够是三个单个矢量MB1、MB2和MB3的矢量和。如果该计算仅基于量值，那么能够例如在合并块236中执行平均值形成，以便仅列举另一示例。
在任何情况下，图2图解示出：如何从在叶根211至213处借助于应变计221至223的力测量中确定单独的负荷变量，在此即为毂弯矩MB。
然后，为了在负荷运行中控制风能设施，例如按照根据图3的结构使用如在图2中图解示出的所确定的毂弯矩MB。
此外，也能够测量应变，并且然后能够经由基于重量的校准推断出叶根弯矩。替选地，这也能够在检测块230中执行。
在根据图3的调节结构中提出，在求和元件340中从毂弯矩MBS的期望值中减去所确定的毂弯矩MB。结果是调节误差，所述调节误差在此称为调节偏差，即力矩调节偏差eM。然后，所述力矩调节偏差eM被输入到PI调节块342中，并且所述PI调节块342作为结果输出期望转速nS。
然后从该这样确定的期望转速nS中在转速求和元件344中减去风能设施300的当前转速。所述结果是转速调节偏差en。所述转速调节偏差被输入到角度确定块346中，所述角度确定块从中确定要设定的叶片角αS。就此而言，所述叶片角αS是期望值并且被输入到风能设施300中以用于相应实施叶片调整。
在此，作为风能设施300仅非常示意性地作为相应的块绘出，所述块细分为叶片角区域B、发电机区域G和其余的风能设施W。因此，期望角αS作用到叶片区域348上。
同时，转速n被输入到功率块350中，所述功率块从中确定期望功率PS，所述期望功率PS被输入到发电机区域352中。
对于该考虑，特别是这两个值，即叶片期望角αS和期望功率PS，现在形成用于风能设施300的输入变量。预防性地要指出，在此假定仅一个叶片角αS。当然也能够考虑，设定个体的叶片角。对于这种情况，在此形成角度确定块346的输出的叶片角αS能够被视为基本角，所述基本角能够相应添加各个角度的任何个体的调整。
在任何情况下，风能设施300的结果是至少一个力变量F，所述力变量在此能够由根据图2的图示的三个单个力F1、F2和F3组成。然后，将所述力变量F输入到检测装置354中。所述检测装置354能够例如由根据图2的检测块230和合并块236组成。就此而言，这两个块，即检测块230和合并块236，也能够称为检测装置238。
在任何情况下，图3的结构如下起作用。在负荷运行中，所述结构首先根据图3进行工作。在此，然后，原则上进行与负荷相关的修正，使得毂弯矩MB被修正到毂弯矩的期望值MBS。这进行为，使得所述力矩调节偏差eM通过根据PI调节块342的PI调节器引起期望转速。如果因此毂弯矩MB刚好达到其期望值MBS，那么调节偏差为零，并且然后由于PI调节块342中的积分分量，所述期望转速将保持在其最后的值上。
所述期望转速到实际转速的转换通过调节回路进行，所述调节回路通过转速求和元件344中的期望值-实际值比较开始。该期望值-实际值比较的结果，即转速调节偏差en，然后经由角度控制块346转换为相应的角度，即最初作为期望值，所述期望值然后实际上在叶片区域348中被转换。
但是同时，根据按照特征曲线的转速预设功率，即发电机功率。相应地，这种与转速相关的功率特征曲线存储在功率块350中。相应地，所述功率块350输出功率的期望值，并且该期望值PS在发电机区域352中转换。如果这引起功率改变，那么转速也能够改变，并且然后根据特征曲线进而通过功率块350再调节所述功率。
如果功率因此减小，那么发电机力矩也减小，这又再能够引起转速提高。这在转速调节中特别是通过角度确定模块346来抵消，其方式为：随后减小叶片角。但是，这又会引起负荷变化，进而引起力变量F的变化。然后，毂弯矩MB能够相应地改变，并且这能够经由力矩调节偏差eM和PI调节块342引起期望转速的改变。
在任何情况下，这种结构引起：在毂弯矩提高时，这通过如下方式反向调节：首先降低转速，并且与转速相关地基于在功率块350中的特征曲线更新、即减小功率。

Claims (13)

1.一种用于运行风能设施(200)的方法，所述风能设施用于从风中产生电功率，其中
-所述风能设施(200)具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有转子毂和可在其叶片角(α)方面进行调整的转子叶片(201、202、203)，并且所述空气动力学转子还能够以变化的转速运行，和
-所述风能设施(200)具有与所述空气动力学转子耦联的用于产生发电机功率的发电机，其中
-所述发电机能够以变化的发电机力矩运行，所述方法包括下述步骤：
-确定产生毂弯矩的至少一个力变量(F)，其中
-为了检测所述毂弯矩，在每个转子叶片上执行至少一次应变测量，其中
-在每个叶根(211、212、213)处执行应变测量，并且
-基于所述应变测量针对每个叶片确定关于量值和方向的部分毂弯矩，并且
-将针对所有转子叶片如此确定的这样的部分毂弯矩矢量地累加成总毂弯矩作为所述毂弯矩，
-使用所述毂弯矩来确定负荷变量，所述负荷变量表示由于所述风而作用到所述风能设施(200)上的负荷，其中
-直接确定且直接考虑所述负荷变量，
-当达到或超过负荷极限值时，切换到负荷运行，和
-在所述负荷运行中减小所述转速和/或所述发电机功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于系统方面的估算算法，基于代表负荷的至少一次测量进行所述负荷变量的确定。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据在盛行的额定风下的正常运行中作为基本负荷检测到的负荷变量来确定所述负荷极限值，使得所述负荷极限值至少确定为所述基本负荷的两倍的值。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所检测到的负荷来减小所述转速和/或所述发电机功率，使得所述负荷变量不超过所述负荷极限值。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述转速和所述发电机功率减小到，使得
-所述负荷变量不超过所述负荷极限值，
-朝向远离所述风的方向分别调整所述转子叶片(201、202、203)的叶片角(α)，
-所述发电机力矩不超过发电机额定力矩，和
-所述发电机力矩随着风速增大而减小。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
-根据所确定的负荷变量减小所述转速，和
-根据用于所述负荷运行的转速-功率特征曲线来减小所述发电机功率，并且其中
-用于所述负荷运行的转速-功率特征曲线与用于部分载荷运行的转速-功率特征曲线不同，在所述部分载荷运行中，所述风弱到使得无法达到发电机额定功率。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用于所述负荷运行的转速-功率特征曲线至少在部分转速范围中总是具有比用于所述部分载荷运行的转速-功率特征曲线更高的功率值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，用于所述负荷运行的转速-功率特征曲线在额定转速的10％至90％的转速范围中总是具有比用于所述部分载荷运行的转速-功率特征曲线更高的功率值。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，为了馈送发电机电功率，
-将由所述发电机产生的电流整流并且输送给第一直流电压中间电路，
-将经整流的电流从所述第一直流电压中间电路输送给第二直流电压中间电路，其中
-在所述第一和第二直流电压中间电路之间设置有升压变换器，以便将所述第一直流电压中间电路的第一直流电压升压为所述第二直流电压中间电路的第二电压，
-将所述第二直流电压中间电路的电流借助于逆变器转换为交流电流，以馈入供电网中，其中
-所述升压变换器仅对于低于切换转速的转速将所述第一直流电压升压为第二直流电压，使得于是所述第二直流电压高于所述第一直流电压，和
-在所述部分载荷运行中的切换转速高于在所述负荷运行中。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
-所述毂弯矩根据转子位置(β)在最大和最小的毂弯矩之间发生变化，和
-根据所述最大的毂弯矩确定所述负荷变量，或
-根据在所述最大和最小的毂弯矩之间的差来确定所述负荷变量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
-总是将所述最大的毂弯矩视为负荷变量，或
-总是将在所述最大和最小的毂弯矩之间的差视为负荷变量。
12.一种用于从风中产生电功率的风能设施(200)，所述风能设施包括：
-空气动力学转子，所述空气动力学转子具有转子毂和可在叶片角(α)方面进行调整的转子叶片，其中所述空气动力学转子能够以变化的转速运行，
-与所述空气动力学转子耦联的用于产生发电机功率的发电机，其中所述发电机能够以变化的发电机力矩运行，
-至少一个力测量机构，用于检测产生毂弯矩的至少一个力变量(F)，
-用于在每个转子叶片上执行至少一次应变测量以检测所述毂弯矩的机构，其中在每个叶根(211、212、213)处执行所述应变测量，
-用于基于所述应变测量针对每个叶片确定关于量值和方向的部分毂弯矩的机构，和
-用于将针对所有转子叶片如此确定的这样的部分毂弯矩矢量累加成总毂弯矩作为所述毂弯矩的机构，
-使用所述毂弯矩来确定负荷变量的机构，所述负荷变量表示由于所述风而作用到所述风能设施(200)上的负荷，其中直接确定且直接考虑所述负荷变量，
-控制装置，所述控制装置配置用于，当达到或超过负荷极限值时通过在负荷运行中减小所述转速和/或所述发电机功率切换到所述负荷运行。
13.根据权利要求12所述的风能设施(200)，其特征在于，在所述每个叶根(211、212、213)处设有至少一个应变计(221、222、223)。
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