CN111566340B - 在风暴时风能设备的运行 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制风能设备(100)的方法，所述风能设备用于由风产生电功率，其中所述风能设备(100)具有转子(106)，所述转子具有在其叶片角方面可调节的转子叶片(108)，并且转子(106)以可变转速(N)运行，所述方法包括以下步骤：当风具有低于额定风速的风速(V_W)时，在部分负荷运行中控制风能设备(100)；当风具有高于风暴初始风速(V_SA)的风速(V_W)时，在风暴运行中控制风能设备(100)，其中在部分负荷运行中和在风暴运行中，根据运行特性曲线设定由风能设备(100)输出的输出功率，其中所述运行特性曲线预设转速(N)与输出功率(P)之间的关系，为了在部分负荷运行中控制风能设备(100)，将部分负荷工作特性曲线(602，702)用作为运行特性曲线，并且为了在风暴运行中控制风能设备(100)，将风暴工作特性曲线(604，704)用作为运行特性曲线，并且其中风暴运行特性曲线和部分负荷运行特性曲线不同，并且与部分负荷运行特性曲线(602，702)相比，风暴运行特性曲线(604，704)对于相同的功率值(P)至少部段地具有更小的转速值(N)，和/或风速‑转速特性曲线从风暴初始风速(V_SA)开始随着增加的风速(V_W)预设转速(N)的降低，其中随着增加的风速(V_W)，转速(N)减小的量增加。

Description

在风暴时风能设备的运行

技术领域

本发明涉及一种用于控制风能设备的方法，并且本发明涉及一种对应的风能设备。

背景技术

风能设备偶尔也在风暴时，即在风速超过20m/s时运行。为此，一种变型方案是，借助于运行特性曲线和风速-转速特性曲线来运行风能设备，所述运行特性曲线预设输出功率与转子转速之间的关系。在此，调节风能设备，使得经由在风能设备上所测量的风速和风速-转速特性曲线来预设转速，在所述转速时，设备在所测量的风速下运行。在此，通过设定风能设备的转子叶片的叶片角来执行对所述预确定的转速的调节，这也称为转子叶片的变桨。

于是，经由运行特性曲线预设风能设备，哪些输出功率应该被馈送到供电网络中，所述供电网络也可以简称为电网。因此，经由运行特性曲线根据转速预设并且随后对应地设定风能设备的输出功率。图2和图3示出所提及的风暴调节的特性曲线。即图2示出风速-转速特性曲线，并且图3示出所提及的运行特性曲线，即根据转速预设输出功率的特性曲线。

在此，图2尤其示出，风能设备因此以恒定的额定转速N_soll运行，直至风速V_SA时的风暴调节的开始，在所述额定转速时，风能设备输出最大功率，即作为输出功率的额定功率，从而将所述额定功率馈送到供电网络中。从也可以称为风暴初始风速的风速V_SA开始，风暴调节运行开始，其中转速从额定转速N_soll线性降到风速V_max时的空转转速N_t，以便将加载于风能设备上的负荷限制在预先规定的限值内。风速V_max也可以被称为最大风速或最大风暴风速。

从所述最大风速V_max起，风能设备仅仍旧空转并且不再馈送功率。为此，然而风速12秒平均值必须超过最大风速V_max。

风暴初始风速和最大风速V_SA或V_max的特征值在风能设备的各种类型之间不同。在此，风暴初始风速处在25m/s至29m/s的范围内，并且最大风速或最大风暴风速V_max处在37m/s至41m/s的范围内。

因此，在图3中所示出的、风暴运行中的运行特性曲线根据现有技术与正常运行或部分负荷运行中的运行特性曲线相同。所述运行特性曲线从额定功率P_max时的额定转速N_soll下行直到最小功率P_min＝0kW时的空转转速N_t。转速由于什么原因处在额定转速N_soll之下在根据图3的运行特性曲线中没有区分。

通过所描述的转子叶片的变桨，由风获取更少的功率，尤其比额定功率少。从能量视角看原则上不重要的是，为什么比额定功率少的功率可用，是否这由于在风暴时转子叶片的变桨而出现，或因为风变弱。因此，如果风还未达到额定风速，从而还不能产生额定功率，因此对于部分负荷运行，并且在风暴运行中可以使用相同的运行特性曲线，即相同的转速-功率特性曲线，如其在图3中所示。

然而，在风暴运行中的负荷可以是高的，因为除了能量考虑之外，也尤其应该考虑作用到转子叶片上的力。

为了应对该情况，可以在风暴运行中还继续降低转速或功率或者二者。但是，由此并不一定意味着负荷减少，主要因为风能设备还在风中，在所述情况下即在风暴中。此外，也得出功率损耗的缺点，但是为了保护设备必须接受所述功率损耗。

德国专利商标局在本PCT申请的优先权申请中检索到以下现有技术：EP 2 063111A2、WO 2017/085156 A1和WO 2017/178429 A1。

发明内容

因此，本发明所基于的目的在于，解决以上提及的问题中的至少一个问题。尤其应该提出一种解决方案，所述解决方案在风暴情况下导致风能设备的尽可能小的负荷和/或尽可能小的功率损耗。因此，尤其应该提出一种对先前已知的风暴调节的改进方案。至少应该提出至少一种先前已知的解决方案的替选方案。

根据本发明，提出一种用于控制风能设备的方法。所述方法基于一种用于由风产生电功率的风能设备。这种风能设备具有转子，所述转子具有至少一个，尤其多个转子叶片，所述转子叶片在其叶片角方面可调节。因此，所述方法涉及一种所谓的桨距受控的风能设备。所述风能设备此外是一种转子可以变转速运行的风能设备。

根据所提出的方法，当风具有低于额定风速的风速时，在部分负荷运行中控制风能设备。当风具有高于风暴初始风速的风速时，在风暴运行中控制风能设备。不仅在部分负荷运行中，而且在风暴运行中，根据运行特性曲线设定由风能设备输出的输出功率。在所述两种情况下，运行特性曲线描述转速与输出功率之间的关系，并且在此运行特性曲线根据转速预设输出功率，或其预设所述两个变量之间的关系。

为了在部分负荷运行中控制风能设备，在此将部分负荷运行特性曲线用作为运行特性曲线。为了在风暴运行中控制风能设备，将风暴运行特性曲线用作为运行特性曲线，并且所述两个运行特性曲线，即部分负荷运行特性曲线和风暴运行特性曲线不同。

为此提出，与部分负荷运行特性曲线相比，风暴运行特性曲线对于相同的功率值至少部段地具有更小的转速值。

与部分负荷运行相比，在风暴运行中在相同的功率值时的转速的这种降低绝不是用于减少负荷的无意义的措施，因为所述措施也意味着，对于相同的转速值设定更高的功率值，这原则上可能导致负荷增加。然而，已经认识到，这种改变的关系也尤其也提供空气动力学优点。

也应该注意，在风暴运行中首先根据风速设定转速，并且根据此才进行功率设定。

然而已经认识到，在风暴运行中，空气动力学条件与部分负荷运行相比尤其不同，使得在风暴运行中对于相同的功率值，更小的转速值是有利的。

因此，尤其也提出，与部分负荷运行特性曲线相比，风暴运行特性曲线在其整个范围内对于相同的功率值具有更小的转速值。这种一般结论绝非自动地由在风暴运行中减少负荷的期望得出。更确切地说，本领域技术人员在不更准确研究所述关系的情况下不能从这种转速-功率特性曲线的改变中承诺优点，所述关系在下文中也还详细描述。如果先前的减小显得不足以用于限制负荷，那么为了在风暴运行中减少负荷，更显而易见的是，关于高风速继续降低转速和功率。

除了或替选于使用不同的风暴运行特性曲线和部分负荷运行特性曲线而提出，风速-转速特性曲线从风暴初始风速起，随着增加的风速预设转速的降低，其中转速降低的量随着增加的风速增加。因此，随着升高的风速，越来越快地降低转速，因此，随着增加的风速，负转速梯度根据一定的量增加，因此转速梯度减小。由此可以在开始时更缓慢地降低转速。

此外也已经认识到，由于转子叶片上的预期的流动分离另外也形成问题。因此，优选地提出，根据转子叶片上的预期的流动分离来选择风暴初始风速。这种流动分离尤其能够对于对应的转子叶片从而对于转子和风能设备是大负荷。这种流动分离也会在转子叶片翼型的压力侧出现。在这种流动分离方面也应该注意，所述流动分离不仅可以根据风速出现，而且可以根据叶片角和转子转速或每个所考虑的翼型部段上的转速出现。在此应该尤其应注意，这种流动分离可以不在整个叶片上同时出现，而是可以仅局部出现、尤其在转子的外部区域中。在所述情况下，在转子叶片的某些区域上可能出现流动分离，并且在某些区域中不发生流动分离。由此，沿着转子叶片能够出现尤其令人不快的负荷差。

因此提出，考虑预期的流动分离。在此应该注意，在模拟或也在模型试验中能够良好地研究转子叶片的这种特性，并且因此也能够预测。基于运行状态的这种研究或前期试验尤其能够说明，是否、在哪里或以什么程度期待流动分离。尤其风速、转速、叶片角允许对转子叶片的相应部段进行评估，是否期待流动分离。

根据一个实施方式提出，根据转子叶片的功率系数来选择风暴初始风速。已经认识到，尤其空气动力学条件对于风暴区域是重要的，并且通过考虑功率系数借此可以制定标准。在此已经认识到，全负荷运行中功率系数随着增加的风速减小，也由于在所述全负荷运行中的变桨。因此，随着接近风暴运行，功率系数连续减小，并且于是可以用作指示器来指示什么时候达到风暴运行。经由为功率系数预设极限值，可以由此预设考虑空气动力学的明确标准，经由所述标准可以识别风暴运行的开始。

在此，风能设备尤其设计并且控制为，使得功率系数至少从额定风速起，即从到达全负荷运行起，随着增加的风速下降。并且为此提出，将这种风速选择为风暴初始风速，在所述风速时，功率系数降至功率系数的预设风暴极限值以下。在此，尤其可以预先执行对应的试验，并且可以记录与风速相关的功率系数。在此，所述功率系数也考虑相应工作点，从而考虑转子叶片的变桨，并且由此可以预先进行这种确定。从功率系数，尤其在此所考虑的、随着增加的风速而下降的功率系数，也可以推导出流动分离的期望。因此在此提出功率系数并且尤其对应预设的风暴极限值作为标准。

根据一个实施方式提出，风暴运行特性曲线形成线性风暴运行特性曲线，所述线性风暴运行特性曲线从预设风暴初始转速时的预设风暴初始功率值随着增加的风速线性地下降到预设风暴最终转速时的风暴最终功率值。因此在此提出一种线性的、即随着风速线性下降的风暴运行特性曲线。由此，可以实现转速相对于风速的适当的降低，所述降低此外也可以在风速再次下降时以简单并且良好可实际实施的方式和方法预设转速提升。

替选地提出，风暴运行特性曲线从预设风暴初始转速时的预设风暴初始功率值起随着增加的风速首先下降到风暴辅助转速时的风暴辅助功率值，并且从那里继续下降到预设风暴最终功率转速时的风暴最终功率值，其中预设风暴辅助转速时的风暴辅助功率值处于线性运行特性曲线或所述线性运行特性曲线之下。这意味着，风暴运行特性曲线从风暴辅助转速到风暴最终转速比从风暴初始转速到风暴辅助转速更平坦地延伸。由此尤其能够实现，在风暴开始时首先进行快速的功率降低。

优选地提出，检测风速，并且在风暴运行中从风暴初始风速起，根据风速在转子叶片的叶片角方面调整转子叶片，使得达到更小的转速。为此于是提出，根据所达到的转速，根据风暴运行特性曲线设定输出功率。因此，在此提出一种分为两个步骤的方法，在所述方法中，首先在转子叶片的叶片角方面调整转子叶片，即随着增加的风速从风中转出。由此，由风获取更少的功率，使得达到更小的转速。然后，在下一步骤中使用所达到的更小转速，以便设定输出功率。输出功率的设定根据风暴运行特性曲线进行。由此，可以首先通过调整转子叶片来实现立即的减负荷，并且然后可以更新输出功率。

为此，尤其所提出的风暴运行特性曲线是有利的，因为与部分负荷运行特性曲线相比，对于相同的功率值，所述风暴运行特性曲线具有更小的转速值。在此这意味着，与会使用部分负荷运行特性曲线的情况相比，在所述第二步骤中相对较少程度地减少功率。在此尤其提出，通过在转子叶片的叶片角方面调整转子叶片，转速减小匹配于有利的风暴运行特性曲线。

根据一个设计方案提出，在风暴运行中从风暴初始风速起，在转子叶片的叶片角方面调整转子叶片，使得根据预设风速-转速特性曲线得出转速。因此可以通过所述措施预设风速-转速特性曲线。尤其，与风速相关的转速具有对转子叶片上的空气动力的直接影响。尤其在附加考虑叶片角并且自然考虑转子叶片的已知几何形状时，在此能够考虑流动分离的效果。尤其能够预先认识到这种流动分离效果，并且还更优选地提出，根据这种认识选择对应的风速-转速特性曲线，在所述风速-转速特性曲线中不出现或至少可以减少不期望的流动分离。

根据一个设计方案提出，风速-转速特性曲线形成线性风速-转速特性曲线，所述线性风速-转速特性曲线从预设风暴初始风速时的预设风暴初始转速随着增加的风速线性下降到预设风暴最终风速时的预设风暴最终转速。因此，提出一种线性风速-转速特性曲线，在所述风速-转速特性曲线中，转速随着升高的风速线性下降，即与风速增加成比例地减小。借此可以在风速与转速之间建立明确的关系，所述关系也可以由风能设备或其控制机构良好地实施。借助这种线性风速-转速特性曲线，同样可以良好地也在风速下降时再次提高转速。尤其优选地将额定转速用作风暴初始转速。因此，借助所提出的线性风速-转速特性，紧接在全负荷运行之后，可以使转速简单地随着增加的风速线性下降。

这种线性风速-转速特性曲线尤其优选地与线性转速-功率特性曲线连接。由此能够在输出功率与风速之间建立线性关系。由此，于是能够在风暴情况下在风速升高时同时线性地降低转速和输出功率，从而能够同样同时降低或限制相应的负荷。转速降低尤其对转子叶片上的机械负荷产生影响，然而输出功率的降低更对传动系的负荷产生影响。因此，在所提出的转速和功率线性降低时，能够同样地并且良好可理解地执行对于两个区域的降低。

替选地提出，风速-转速特性曲线从提高的风暴初始风速时的预设风暴初始转速起，即优选地从额定转速起，随着增加的风速首先下降到预设风暴中间风速时的风暴中间转速，所述提高的风暴初始风速大于预设的、即未提高的风暴初始风速。风暴中间转速优选地与风暴运行特性曲线的风暴辅助转速一致。在任何情况下提出，从预设风暴中间风速时的风暴中间转速继续下降到预设风暴最终风速时的预设风暴最终转速，其中预设风暴中间风速时的风暴中间转速优选地处于线性风速-转速特性曲线之上。

所述风速-转速特性曲线优选地在提高的风暴初始风速时开始。因此，关于升高的风速，所述风速-转速特性曲线晚于预设风暴初始风速开始。由此也可以实现相应随后出现的功率降低。所述优选的风速-转速特性曲线优选地在任何情况下，即在提高的或不提高的风暴初始风速时，首先具有比随后更小的斜率，即在更小的风速时具有比更高的风速时更小的斜率。

在此尤其已经认识到，过早或过强的变桨，或者过早或过强的变桨，尤其在转子叶片的外部区域，即在朝向叶片尖端的区域中，会导致负迎角。然后，这种负迎角能够导致失速效应，尤其也在转子叶片的压力侧上。但是，由于所述负迎角不出现在整个叶片上，即从根部区域直至叶片尖端，而是尤其在外部区域中，因此也尤其仅在那里构成流动分离。由此，在转子叶片的外部和内部区域中出现不同的负荷，这也会导致转子叶片的扭转。这种扭转能够更加增强或减弱所述效应，这结果会导致扭转振动。这种不同的负荷，尤其所提及的扭转振动，能够是转子叶片的高负荷。所提出措施的目的恰好针对于此。尤其通过避免过早调整叶片角以使得转速也降低，能够在转子叶片的一部分中避免这种负迎角。

根据一个设计方案提出，风速-转速特性曲线从风暴初始风速起随着增加的风速预设转速的降低，其中转速降低的量随着增加的风速增加。因此，在风暴情况下，转速随着增加的风速降低，如其原则上也普遍已知的那样。然而，为此现在附加地提出，随着增加的风速，所述降低同样越来越强地增加。因此，转速越来越陡地下降。由此，得出向上成拱形的风速-转速特性曲线。这可以通过以下方式逐段实现，在最简单的情况下，进行第一斜率降低直至风暴中间风速，并且然后进行更强的降低，即提高降低的量。但是，也可以以多个步骤执行，或也可以优选地连续进行，使得风速-转速特性曲线形成连续的、向上成拱形的特性曲线。

由此，也可以避免过早过快速地降低转速，即出乎意料地不一定必须导致风能设备的减负荷，而是由于已经在上文中所描述的空气动力学负荷，尤其扭转振动的风险，甚至可以是不利的，至少在直接空气动力地引起的负荷方面。因此，通过所述具有增大的转速降低的风速-转速特性曲线在开始时实现转速的有利的较弱的降低。

根据另一设计方案提出，随着增加的风速，叶片角根据风速朝向在此但是首先未达到的顺桨位置变大，使得角度增加，以便减小转速。在此尤其假设，叶片角定义成，使得顺桨位置大约对应于90°(并且非0°)的叶片角，在这就方面而言，这是叶片角的通常定义，所述叶片角也可以称为桨距角。因此，朝向顺桨位置的方向的调整是增加叶片角。

根据转速的减小，于是输出功率减小。因此，首先实现与风速相关的转速减小，并且然后所述转速减小形成输出功率减小的基础，如这在上文中也已经描述。

现在已经认识到，角度增加与输出功率减小的比形成角度-功率变化系数。因此，角度-功率变化系数C_WP可以定义为，对于一定的风速增加所提出的角度增加ΔW与对于所导致的转速变化所提出的输出功率的减小ΔP之比，即C_WP＝ΔW/ΔP。对于所述角度-功率变化系数提出，随着增加的风速，所述角度-功率变化系数根据量增加。经由此，可以在风暴情况下预设风能设备的有利行为，因为所提出的角度-功率变化系数的增加也通过输出功率的对应变化得出。即在此尤其提出，与叶片角相比，随着增加的风速，首先较快地、但是然后较慢地调整输出功率。由此也尤其可以实现，一方面避免过快调整叶片角和转速，这能够导致所提及的空气动力学问题，但是同时已经能够在开始时快速降低输出功率和与此相关的负荷。

为此优选地提出，角度-功率变化系数在风暴运行中从预确定的第一反向风速起减小，并且尤其从大于第一反向风速的第二反向风速起再次增加。为此，已经尤其认识到，在风暴运行中的高风速时，所述风速尤其处于25m/s至26m/s的范围内，过快的角度增加能够导致负的、尤其负得很多的迎角。为了避免这种情况，在此角度-功率变化系数从第一反向风速起减小，因此，角度此后较少快速地减小。从第二反向风速起，功率和/或转速能够足够地下降，使得可以再次更快地减小角度。

根据本发明，此外提出一种风能设备。这种风能设备设为用于由风产生电功率，并且所述风能设备具有转子，所述转子具有在其叶片角方面可调节的转子叶片，其中所述转子能够以可变转速运行。所述风能设备包括：

-控制单元，所述控制单元用于当风具有低于额定风速的风速时，在部分负荷运行中控制风能设备，以及

-所述控制单元用于，当风具有高于风暴初始风速的风速时，在风暴运行中控制风能设备，其中

-所述控制单元配备用于控制风能设备，使得

-在部分负荷运行中和在风暴运行中，根据运行特性曲线设定由风能设备输出的输出功率，其中所述运行特性曲线预设转速与输出功率之间的关系，

-为了在部分负荷运行中控制风能设备，将部分负荷运行特性曲线用作为运行特性曲线，以及

-为了在风暴运行中控制风能设备，将风暴运行特性曲线用作为运行特性曲线，并且其中

-风暴运行特性曲线和部分负荷运行特性曲线不同，以及

-与部分负荷运行特性曲线相比，对于相同的功率值，风暴运行特性曲线部段地具有更小的转速值，和/或

-所述控制单元配备用于预设风速-转速特性曲线，所述风速-转速特性曲线从风暴初始风速起，随着增加的风速预设转速的降低，其中转速降低的量随着增加的风速增加，因此负转速梯度随着增加的风速根据量增加，因此转速梯度减小。

这种风能设备也尤其配备用于执行在上文中所描述的方法，如其已经至少根据一个实施方式所描述的那样。为此设有控制单元，控制单元尤其也可以构成为过程计算机，在所述控制单元上实施功能，并且可以将对应的控制指令传输给转子叶片、励磁调节器或变频器的调节元件上，所述变频器设为用于馈送到供电网络。

这种风能设备优选地具有至少一个风速传感器。所述风速传感器尤其在风暴运行中使用，在风暴运行中于是所述风速传感器检测风速，并且据此控制风能设备，尤其在风能设备的转速方面。优选设有多个不同的风速传感器，以便实现冗余和/或提高测量精度。

至少根据一个实施方式，所述控制单元尤其设为用于在所述控制单元中存储特性曲线。尤其提出，在所述控制单元中存储有部分负荷运行特性曲线和风暴运行特性曲线，并且此外优选地存储有风速-转速特性曲线，即尤其用于风暴运行。基于此，因此在使用所述特性曲线中的一个或多个特性曲线的情况下，控制单元可以执行至少一种方法，从而风能设备可以执行至少一种方法，如在上文中参考所述方法的实施方式中的至少一个实施方式已经所阐述的那样。

附图说明

现在在下文中示例地根据实施方式、参考附图详细阐述本发明。

图1示出风能设备的立体图。

图2图解说明地示出用于风暴运行的区域的风速-转速特性曲线。

图3示出转速-功率特性曲线，从而示出运行特性曲线。

图4示例性示出对于风暴运行情况迎角沿着转子叶片从叶片根部直至叶片尖端根据半径的变化曲线。

图5示出改进的风速-转速特性曲线。

图6示出所提出的运行特性曲线。

图7示出另一所提出的运行特性曲线。

图8对比用于不同实施方式的根据风速的不同的叶片角变化曲线。

图9示出用于不同实施方式的转子叶片的外部区域中的不同的迎角。

图10阐述叶片角和迎角的含义。

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上，设置有具有三个转子叶片108和一个导流罩110的转子106。在运行中，转子106通过风置于旋转运动中，并且由此驱动吊舱104中的发电机。

图1此外图解说明地示出能够控制风能设备100的控制单元130。为了根据风速来控制风能设备100，设有风速传感器132，所述风速传感器能够设置在吊舱110上。所述风速传感器将其信号发送给控制单元130。所述控制单元130能够评估所述信号，从而操纵例如变桨马达134，这在图1中仅图解说明地示出。尤其仅示出一个变桨马达134，其中当然转子叶片108中的每个转子叶片能够具有变桨马达134，并且转子叶片经由所述变桨马达在其叶片角度方面可调节。发电机136同样在图1中示出，并且在需要时可以由控制单元130操纵以便设定输出功率。

图2示出风速-转速特性曲线202的简单可行性。所述风速-转速特性曲线在风速低于最小风速V_min时具有额定转速N_soll。所述最小风速之前的区域形成风能设备的全负荷范围或全负荷运行，在任何情况下只要风速不低于额定风速，这在图2中未示出，因为所述图2仅示出基本上针对风暴运行的风速-转速特性曲线。根本也没有为其他区域设有风速-转速特性。尽管风速与转速之间存在已知的关系，但是对于全负荷运行和部分负荷运行通常不使用所述关系来控制设备。仅对于风暴运行提出，根据所检测到的风速对应于风速-转速特性曲线202来设定转速。

在图2的实例中，于是风暴运行从风暴风速开始，所述风暴风速称为V_SA。从那时起，转速根据风速-转速特性曲线202线性下降，直至最大风速V_max，并且在那里达到空转转速N_t。也存在例外，其中即如果风速10分钟平均值高于安全风速V^*的值，那么在安全风速V^*下能够关闭风能设备。

在此，风速-转速特性曲线202线性下降，并且其线性下降也可以经由虚拟的起始值定义，所述虚拟的起始值处于最小风速和额定风速的1.2倍。

图3示出转速-功率特性曲线，从而示出运行特性曲线302，其也可以缩写为BKL。所述运行特性曲线示出转速N与功率P之间的关系。在基本上最大转速，即额定转速N_soll时，也存在额定功率P_N。在对应更小的转速时，功率也更小，并且在空转转速N_t时，功率取值为0。在此，设备也以空转转速运行，而不产生功率。图3的所述运行特性曲线302不仅可以在部分负荷运行中而且可以在风暴运行中描述或预设转速N与功率P之间的关系。但是，在部分负荷运行中，转速会随着升高的风速而升高，然而在风暴运行中，转速随着升高的风速而下降。在风暴运行中看起来类似于，运行特性曲线关于风速沿相反的方向进行。

现在还应该注意以下情况。在风暴时，流经转子扫掠区域的空气具有非常高的动能，并且仅所述动能的一小部分必须由风能设备转换为旋转能，以便产生根据运行特性曲线所需的功率。

已经认识到，在此基本上仅还在叶片内部区域中产生为此需要的扭矩，这导致在转子半径上的迎角分布与正常运行中的迎角分布根本不同。

为了图解说明以上情况，图4示出风暴运行中对于风速的典型迎角变化曲线。迎角在这方面应该理解为如下角，在所述角下，转子叶片部段的弦线实际上在所涉及的区域中被迎流。因此，所述迎角与在那里转子叶片的实际位置、在那里的盛行风以及在那里转子叶片的转速相关。

为了阐明叶片角γ和迎角α，在图10中对于翼型剖面1000示出所述叶片角和迎角。因此，所述翼型剖面1000代表转子叶片部段。通过转子叶片在转子平面R中以转速ω旋转，对于所考虑的翼型剖面1000得出叶片部段速度V_BA，因此所述叶片部段速度平行于转子平面取向。在考虑叶片部段速度V_BA的情况下，实际风速V_W导致视风速或相对风速U_rel。这在图10中在插入区域中作为示意性矢量图示出。对应的相对风向U_rel仅在翼型剖面1000上标记。在所述相对风向U_rel与弦线c之间的角为迎角α。所述迎角也直接与所设定的叶片角γ相关，所述叶片角与转子平面R相关。更小的叶片角γ对应于部分负荷运行中的设定。

在图4中可认识到，正迎角仅处于叶片内部区域中，并且迎角的值朝向外部强烈减小，并且朝向叶片尖端明显为负。应该提到，在此，图4在横坐标上说明在转子叶片上的关于转子叶片的总长度的相应位置。因此，在叶片尖端处，位置对应于转子叶片的长度，使得在那里值为1。在此，所述位置视为转子的半径r并且涉及关于转子的总半径R。因此，横坐标的表达不完全延伸至0，因为值0处于旋转轴线中，从而处于导流罩或轮毂中。

图4仅示出一个实例，但是已经认识到，风速越高，并且风能设备在风暴运行中在所述更高的风速时馈送的功率越少，所述趋势或所述现象越明显。在此已经认识到，就此而言这是有问题的，因为在高的负迎角时存在以下风险，在出现所述高的负迎角的翼型处发生所谓的负失速，即在翼型的压力侧上的流动分离。因此，根据转子叶片的翼型和结构设计存在以下风险，由于在转子叶片的部段中以负失速运行，在转子叶片上引起不期望的气动弹性现象。这意味着，会引起在通过绕流施加到转子叶片上的力与由此出现的弹性变形之间的反馈。这种变形又会导致随着由空气动力学决定的力变化而变化的绕流。

为此也已经认识到，这种形式的反馈可以导致围绕转子叶片的纵轴线的振荡运动。在所述情况下，转子叶片会以高频率和高振幅扭转。这种转子叶片振动甚至会呈现能够导致转子叶片损坏的振幅。因此提出用于避免的措施。在此，尤其已经认识到，在风能设备的风暴运行中，在转子叶片上负迎角时会出现这种流动分离。对应地提出，尤其抵抗这种所述现象，即这种负迎角，并且尽可能避免所述负迎角。

因此，图4示出在具有总长度R的转子叶片的长度上的迎角α，其中转子的最大半径实际上用作为总长度R，转子叶片在所述最大半径中运行，从而最大半径R说明从转子的旋转轴线直至叶片尖端的值。所考虑的半径r归一化到所述最大半径R，使得横坐标上的表达延伸直至值1。

可认识到，所述迎角变化曲线402大约从转子叶片的一半开始，即大约从对于转子叶片上的半径位置的值0.5开始呈现负值，并且继续朝向叶片尖端所述值的量变得更大，即还继续处于0以下。这是用于如下转子叶片的一个实例，所述转子叶片的叶片角在风暴运行中已经调节得过强，以便由此过强地降低转速。在更小地调节叶片角时并且在此更小地或更迟地降低转速时，迎角将不会过强地转到负区域中，或甚至不转到负区域中。

因此，从所述认知中对于风能设备的风暴运行提出所述目的，即避免在转子叶片上负迎角时的流动分离。

为了实现以上目的，因此提出，在风暴时对应调整运行管理。为此尤其提出，与目前为止所使用的变型方案相比，改变运行特性曲线或风速-转速特性曲线或同时改变所述两个特性曲线。以下的图5至图7尤其将阐述所提出的改进或改进可行性。

图5此外示出图2的风速-转速特性曲线202。现在尤其提出，与所述风速-转速特性曲线202不同并且为此提出一种改进的风速-转速特性曲线502。所述改进的风速-转速特性曲线502仅在风暴初始风速V_SA2提高时才开始降低转速。从那里开始，于是转速以更小的初始转速斜率下降直至第二最小风速V_min2。在此，所述转速到达第一最小转速N_min1。从那里开始，改进的风速-转速特性曲线502以提高的斜率的量下降到在最大风速V_max时的空转转速N_t。借此尤其能够实现，所述改进的风速-转速特性曲线502处于风速-转速特性曲线202之上。第一最小转速N_min1也能够形成风暴中间转速或风暴辅助转速，所述第一最小转速也能够根据值对应于风暴辅助转速，所述风暴辅助转速在随后还阐述的运行特性曲线中使用。因此，所述改进的风速-转速特性曲线502相对晚地降低转速，并且然后至少开始时也仅相对小地降低所述转速。只有在以下情况之后，即从第二最小风速V_min2起或在达到第一最小转速N_min1时，转速才陡峭地下降。

当风速的10分钟平均值处于安全风速V^*之上时，也可以在更高的转速，即在第二最小转速N_min2时，关闭风能设备。

根据改进的风速-转速特性曲线502的建议的目的是，与目前为止的方法相比，在风暴运行中提升转速。因此，至少在风暴运行开始时，应该随后和/或随着增加的风速更少地减低转速。也可以称为最大风速V_max的切出风速保持不变，并且在任何情况下，根据一个实施方式也可以利用风速与转速之间的线性关系。然而提出，在此部段线性预设所述关系，尤其在两个部段中，其中第一部段，即在更小风速时的部段更平坦，并且第二部段，即在更高风速时的部段更陡。

这种第一部段和第二部段504或506在图5中示出。因此，作为改进方案提出，风暴运行的开始从风暴初始风速推迟至增加的风暴初始风速V_SA2。此外，提出具有不同斜率的部段线性的特征曲线，具有以下目的：尤其相对于根据图2的变型方案在整个风暴运行中提升转速。

为此，也提出优选合适的运行特性曲线，所述运行特性曲线在图6和图7示出。改变运行特性曲线的目的是，在给定的转速下提高功率。可以实现的一种可行性是移动运行特性曲线，如这在图6中图解说明地示出。在那里为了进行比较示出第一运行特性曲线，所述第一运行特性曲线也可以称为正常运行特性曲线602，所述正常运行特性曲线简要通过箭头基本上向左移动至改进的运行特性曲线604。所述移动意味着，结果功率P仅分别在更小的转速时示出与之前相同的变化曲线。结果，借此在相同转速时总是提高功率。然而，由于移动，即使在略微更小的转速时，也仍然保持额定功率P_N。

对于运行特性曲线的具体变化曲线，在此尤其提出，在此形成风暴运行特性曲线的改进的运行特性曲线604从预设风暴初始转速N_soll时的预设风暴初始功率值P_N随着增加的风速V_W首先下降到预设风暴辅助功率值N_H时的风暴辅助功率值P_H，并且从那里继续下降到预设风暴最终功率转速N_t时的风暴最终功率值，即0。

在另一实施方式中，可以从额定转速N_soll直至空转转速N_t设有功率与转速之间的线性关系。这在图7中阐述，为了进行比较，图7也示出正常运行特性曲线702，所述正常运行特性曲线不是径直的直线，即功率与转速之间不存在线性关系。所述正常运行特性曲线702根据所指示的箭头变化至改进的线性运行特性曲线704。在此也尤其认识到，这种线性关系适合于用于风暴运行的运行特性曲线，但是不太适合于用于部分负荷运行的运行特性曲线。

在部分负荷运行中，出于空气动力学的原因尤其有意义的是，随着风的增多首先尽可能快地提高转速，因为这在更小风速时能够导致在空气动力学方面有利的叶尖速比。但是，已经认识到，在风暴运行中可以有意义的是，在转速随着增加的风减小时，不太强地降低功率。在风暴运行中使风能设备停止的可行方面也未起作用，使得可以在运行特性曲线下在那里相对高地保持功率。这恰好可以通过所提出的改进的线性工作特性704来实现。附加地由此实现，尽管为了保护设备，转速和功率在风暴运行中减小，但是可以产生相对高的功率。所提出的改进的线性工作特性704可以实现这种优点。

同时已经认识到，在对应地考虑所使用的发电机的特性，尤其其最大的、与转速相关的功率时，仍然可以产生相对高的功率。

可实现的效果在图8和图9中示出。图8说明对于三种不同情况在风暴运行中叶片角γ根据风速V_W的变化曲线，使得图8示出三个叶片角变化曲线802、804和806。第一叶片角变化曲线802也可以称为正常叶片角变化曲线，并且其基本上属于根据图2的风速-转速特性曲线202。同时，根据图7或图6的正常运行特性曲线602或702的运行特性曲线作为基础。

此外，示出第二、从而改进的叶片角变化曲线804，其同样基于图2的风速-转速特性曲线202，但是对于所述叶片角变化曲线已使用改进的运行特性曲线。为此，可以对应地将改进的运行特性曲线604或704或类似的运行特性曲线用作基础。在第三进一步改进的叶片角变化曲线806中，与第二改进的叶片角变化曲线804相比，此外替代风速-转速特性曲线202也将改进的风速-转速特性曲线502用作基础。

在图8中尤其可认识到，通过使用改进的运行特性曲线以及附加地通过使用改进的风速-转速特性曲线，分别存在更小的叶片角。在风暴开始时，即在风暴初始风速V_SA时，叶片角也相同，并且然后随着升高的风速而不同程度地升高。因此，与不使用这种改进的运行特性曲线和/或改进的风速-转速特性曲线的变型方案相比，所提出的措施单独地或也组合地导致在风暴运行中能够减小叶片角。

为此原因尤其在于，与不执行所述措施的变型方案相比，所提出的措施原则上导致产生提高的功率，即提高的输出功率，所述输出功率此外也馈送到供电网络中。因此，从风中获取更多功率，并且风能设备由此较少被下调。这在减小的叶片角中反映出来，所述叶片角此外也可以称为桨距角或转子叶片角。更小的叶片角也可以直接导致更大的迎角。已经认识到以上情况，并且已经认识到，这是有利的效果，以便避免带有流动分离的风险的非常小的迎角范围。

这在图9阐述。对于用于风速的三个叶片角变化曲线802、804和806，图9示出在转子叶片的外部区域中，即关于最大半径R半径r的70％至100％的区域内的迎角的变化曲线。对于叶片角变化曲线802、804和806，为此在图9中对应地示出迎角变化曲线902、904和906。因此，图9也示出叶片尖端区域中的迎角分布，所述迎角分布由对于图8所提到的运行管理得出。

如果例如在对于0.96<r/R<1翼型的区域中使用所述转子叶片设计，其中所述翼型在迎角小于-11°时趋于流动分离从而引起所提到的气动力弹性问题，那么通过所提出的措施可以避免设备在所述具有小于-11°的值的迎角范围内运行，从而防止潜在的起振和可能伴随的对转子叶片的损坏。图9示出，即仅在未改变的运行管理中得出的迎角变化曲线902达到比根据改进的运行管理的迎角变化曲线904和906明显更小的迎角。

因此，本发明尤其具有以下目的，提升迎角，特别是在叶片尖端区域中。在风暴运行中，叶片尖端区域中会存在负迎角，即流动的滞点于是处在翼型的吸力侧。在高的负迎角时，典型地在压力侧导致流动分离。在某些情况下，在设备在压力侧的流动分离中运行时，也被本领域技术人员称为负失速，能够引起转子叶片的由于气动力弹性的起振，其能够导致叶片损坏。通过修改的运行管理，所提出的发明旨在避免在风暴运行中达到临界负迎角，从而确保、至少改进转子叶片的完整性。

结果，因此通过所提出的措施可以实现在风暴运行中减轻转子叶片的负荷，同时更高的功率收益是可行的。

Claims (14)

1.一种用于控制风能设备(100)的方法，所述风能设备用于由风产生电功率，其中，

-所述风能设备(100)具有风速传感器(132)和转子(106)，所述转子具有在其叶片角方面可调节的转子叶片(108)，以及

-所述转子(106)以可变的转速(N)运行，所述方法包括以下步骤：

-借助所述风速传感器测量风速，

-当所述风具有低于额定风速的风速(V_W)时，在部分负荷运行中控制所述风能设备(100)，

-当所述风具有高于风暴初始风速(V_SA)的风速(V_W)时，在风暴运行中控制所述风能设备(100)，其中，

-在所述部分负荷运行中和在所述风暴运行中，根据运行特性曲线设定由所述风能设备(100)输出的输出功率，其中所述运行特性曲线预设所述转速(N)与所述输出功率(P)之间的关系，

-为了在所述部分负荷运行中控制所述风能设备(100)，将部分负荷运行特性曲线(602，702)用作为运行特性曲线，以及

-为了在所述风暴运行中控制所述风能设备(100)，将风暴运行特性曲线(604)用作为运行特性曲线，其基于测量到的风速，其中

-与所述部分负荷运行特性曲线相比，所述风暴运行特性曲线在其整个区域中对于相同的功率值具有更小的转速值，其中

-所述风暴运行特性曲线从在预设的风暴初始转速(N_soll)时的预设的风暴初始功率值(P_N)开始随着增加的风速(V_W)首先下降到在预设的风暴辅助转速(N_H)时的风暴辅助功率值(P_H)，并且从那里继续下降到在预设的风暴最终转速(N_t)时的风暴最终功率值，并且其中

-与从所述风暴初始转速(N_soll)延伸至所述风暴辅助转速(N_H)相比，所述风暴运行特性曲线从所述风暴辅助转速(N_H)更平坦地延伸至所述风暴最终转速(N_t)。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

-根据在所述转子叶片(108)上待期望的流动分离选择所述风暴初始风速(V_SA)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

-根据所述转子叶片(108)的功率系数(Cp值)选择所述风暴初始风速(V_SA)，使得，

-将所述风能设备(100)设计和控制成，使得所述功率系数(Cp值)至少从所述额定风速起随着增加的风速(V_W)下降，以及

-选择如下风速(V_W)作为风暴初始风速(V_SA)，在所述风速时，所述功率系数(Cp值)下降到所述功率系数的预设的风暴极限值(Cp风暴极限值)以下。

4.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于

-在所述风暴运行中从所述风暴初始风速(V_SA)起

-根据所述风速(V_W)调节所述转子叶片(108)的叶片角，使得达到更小的转速(N)，以及

-根据达到的转速(N)，根据所述风暴运行特性曲线(604，704)设定所述输出功率(P)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

-在所述风暴运行中从所述风暴初始风速(V_SA)起调节所述转子叶片(108)的叶片角，使得转速(N)根据预设的风速-转速特性曲线(502)得出。

6.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

-线性风速-转速特性曲线(202)从在预设的风暴初始风速(V_SA)时的预设的风暴初始转速(N_soll)起，随着增加的风速(V_W)线性下降到在预设的风暴最终风速(V_max)时的预设的风暴最终转速(N_t)，或

-所述风速-转速特性曲线(502)从在所述风暴初始风速(V_SA2)时的预设的风暴初始转速(N_soll)起，随着增加的风速(V_W)首先下降到在预设的风暴中间风速(V_min2)时的风暴中间转速(N_min1)，其中所述风暴中间转速对应于所述风暴辅助转速，并且从那里继续下降到在预设的所述风暴最终风速(V_max)时的预设的风暴最终转速(N_t)。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，所述风暴初始风速(V_SA2)比预设的所述风暴初始风速(V_SA)更大。

8.根据权利要求6或7所述的方法，

其特征在于，

-在预设的所述风暴中间风速(V_min2)时的风暴中间转速(N_min1)处于所述线性风速-转速特性曲线(202)之上，或更确切地说，与从所述风暴初始风速(V_SA)下降至所述风暴中间风速(V_min2)相比，所述风速-转速特性曲线(502)更陡地从所述风暴中间风速(V_min2)下降至所述风暴最终风速。

9.根据权利要求5所述的方法，

其特征在于，

-所述风速-转速特性曲线(502)预设从所述风暴初始风速(V_SA)起随着增加的风速(V_W)所述转速(N)的降低，其中所述转速(N)降低的量随着增加的风速(V_W)增加。

10.根据权利要求1或2所述的方法，

其特征在于，

-随着增加的风速(V_W)，转子叶片角根据所述风速(V_W)朝向顺桨位置变大，使得出现角度增加，以便减小所述转速(N)，以及

-根据所述转速(N)的减小，减小所述输出功率(P)，以及

-角度增加(ΔW)与输出功率减小(ΔP)的比形成角度-功率变化系数(C_WP)，其中

-所述角度-功率变化系数(C_WP)随着增加的风速(V_W)按量增加。

11.根据权利要求10所述的方法，

其特征在于，

在风暴运行中，从预确定的第一反向风速起，所述角度-功率变化系数(C_WP)减小。

12.根据权利要求11所述的方法，

其特征在于，

从第二反向风速起，所述角度-功率变化系数(C_WP)再次增加，所述第二反向风速比所述第一反向风速大。

13.一种用于由风产生电功率的风能设备(100)，所述风能设备具有

-风速传感器(132)，所述风速传感器设计用于测量风速(V_W)，

-转子(106)，所述转子具有在其叶片角方面可调节的转子叶片(108)，其中

-所述转子(106)以可变的转速(N)运行，所述风能设备包括：

-控制单元(130)，所述控制单元用于当所述风具有低于额定风速的风速(V_W)时，在部分负荷运行中控制所述风能设备(100)，以及

-所述控制单元用于当所述风具有高于风暴初始风速(V_SA)的风速(V_W)时，在风暴运行中控制所述风能设备(100)，其中

-所述控制单元(130)配备用于控制所述风能设备(100)，使得

-在所述部分负荷运行中和在所述风暴运行中，根据运行特性曲线(604，704)设定由所述风能设备(100)输出的输出功率(P)，其中所述运行特性曲线(604，704)预设所述转速(N)与所述输出功率(P)之间的关系，

-为了在所述部分负荷运行中控制所述风能设备(100)，将部分负荷运行特性曲线(602，702)用作为运行特性曲线，以及

-为了在所述风暴运行中控制所述风能设备(100)，将风暴运行特性曲线(604，704)用作为运行特性曲线，并且其中

-相比于所述部分负荷运行特性曲线，所述风暴运行特性曲线(604)在其整个区域中对于相同的功率值具有更小的转速值，以及

-所述控制单元(130)配备用于将借助所述风速传感器(132)测量到的风速(V_W)用作为输入变量，以便根据所述风暴运行特性曲线在所述风暴运行中设定叶片角，以随着增加的风速(V_W)降低所述转子(106)的转速(N)，其中

-所述风暴运行特性曲线从在预设的风暴初始转速(N_soll)时的预设的风暴初始功率值(P_N)开始随着增加的风速(V_W)

-首先下降到在预设的风暴辅助转速(N_H)时的风暴辅助功率值(P_H)，并且从那里继续

-下降到在预设的风暴最终转速(N_t)时的风暴最终功率值，其中

-与从所述风暴初始转速(N_soll)延伸至所述风暴辅助转速(N_H)相比，所述风暴运行特性曲线从所述风暴辅助转速(N_H)更平坦地延伸至所述风暴最终转速(N_t)。

14.根据权利要求13所述的风能设备(100)，

其特征在于，

-所述风能设备的控制单元(130)配备用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法。

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