CN112219027B - 用于运行风能设备的方法、风能设备以及风电场 - Google Patents

Abstract

一种用于运行风能设备的方法，其中风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片安装在转子的转子毂处，其中至少一个转子叶片的叶片角可以围绕所述至少一个转子叶片的纵向轴线关于转子毂调节，并且提出相对应的风能设备。方法包括如下步骤：提供当前的风特性；提供转子叶片的实际叶片角或转子叶片的所有实际叶片角的平均值；确定至少一个转子叶片的稳态叶片角，所述稳态叶片角在考虑已知的转子特性、电系统和风特性的情况下引起风能设备的期望的稳定运行状态；将稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值进行比较；如果稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值显著地有偏差，则调整风能设备的运行。

Description

用于运行风能设备的方法、风能设备以及风电场

技术领域

本发明涉及一种用于运行风能设备的方法以及使用所述方法的风能设备和所属的风电场。

背景技术

在风能设备的领域中已知的是，风能设备的控制实现所谓的桨距调节，即如下调节：围绕转子叶片的纵向轴线调节叶片角，以便调节到期望的运行点上。转子叶片的桨距角对转子的空气动力学功率具有显著影响，其中在恒定的叶片角或桨距角下，产生的空气动力学功率随着风速升高而升高，并且可能产生危险的负载，尤其在塔上产生危险的负载。

特别当例如发生强阵风时，风速在很短的时间内非常强烈地改变，而转子叶片对于较小的风定位在小的叶片角下。然后，小的叶片角与通过阵风产生的强风引起高的转子推力，所述高的转子推力可能引起极端的塔负载和高的塔负载摆动幅值。

根据本发明，尤其在极限状态的区域中达到极端负载，所述极限状态表示结构的状态以及作用于所述结构的负载的状态，并且在超出所述极端负载时，所述结构不再符合设计要求。因此，对于极限状态的设计要求具有如下目的：将达到极限状态的概率保持低于规定值，参见ISO 2394。

为了减小最大设计负载，本发明的目的在于以如下方式改进一种用于运行风能设备的方法和所属的风能设备：减小作用于塔的极端负载。更一般地，本发明的目的还在于在运行风能设备时实现运行负载的减小。

德国专利商标局已经在对于本PCT申请的优先权申请中检索了以下现有技术：US2013/0115082 A1和US 2017/0152835 A1。

发明内容

根据第一方面，根据本发明，所述目的通过一种用于运行风能设备的方法实现。风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片安装在转子的转子毂处，其中至少一个转子叶片的叶片角可以围绕其纵向轴线关于转子毂调节。所述方法包括以下步骤：i)提供当前的风特性，ii)提供转子叶片的实际叶片角或转子叶片的所有实际叶片角的平均值，iii)确定至少一个转子叶片的稳态叶片角，所述稳态叶片角在考虑已知的转子特性、电系统和风特性的情况下引起风能设备的期望的稳定运行状态，iv)将稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值进行比较，v)如果稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值显著地有偏差，则调整风能设备的运行。

因此，根据本发明的方法对于某些特定的风特性、例如风速和/或风向可以实现确定引起期望的设备状态的的叶片角，称为稳态叶片角。因此，方法可以实现已经提早识别出阵风的来临，并且主动控制风能设备，例如将转子叶片从风中旋出。与转速调节相对，根据本发明的控制可以实现显著的时间优点，所述时间优点引起作用于塔的最大负载减小，尤其在强阵风的情况下引起作用于塔的最大负载减小。因此在此，根据本发明的方法可以作为前馈控制在风能设备的调节器设计中实现。

仅当确定的偏差显著时，前馈控制才对运行进行调整，由此确保减少控制干预的次数。因此减小要行驶的转子叶片角的变化的频率，这对风能设备的使用寿命以及尤其桨距部件的使用寿命具有积极的影响。

偏差的“显著性”也防止在风条件下的确定误差即估测误差引起错误响应。尤其地，如果“实际”与“期望”的差异大于仅从估测不确定性中预期的差异，则做出响应。因此，要预期的估测不确定性、例如呈期望值或标准差或其倍数的形式的要预期的估测不确定性优选地是用于显著性的标准。

此外，通过根据本发明的方法，可以实现与阵风的形式和类型无关的响应，因为不识别阵风本身，而是识别变化的显著性。因此，即使在例如在风显著升高之前首先伴随风的减弱的特定的阵风的情况下，也防止在阵风开始发生时控制装置示出不利的效果，即首先在风下降时减小转子叶片角。然后，在风强烈上升时，这将引起稳态叶片角与实际叶片角之间更大的差异，但是这恰好通过对显著性进行检查而不发生或减弱。

风能设备的期望的运行状态优选地是如下运行状态：在所述期望的运行状态中，风能设备产生额定功率。因此，在所述期望的运行状态中，将始终以额定转速运行风能设备，使得在一个实施方案中，风能设备的转速调节与根据本发明的方法无关。

期望的稳定运行状态优选地包括由转子吸收的期望的空气动力学功率。当然，运行状态不限于空气动力学功率，并且同样也可以使用其他运行变量、尤其与功率有关的其他运行变量。例如，产生的或馈入到电网中的电功率可以用作稳定运行状态，并且可以通过适当的方法进行换算。

但是，在另外的实施方案中，根据本发明的方法当然也可以例如作为前馈控制与转速调节相关联，使得控制装置也可以在阵风即低于额定风速从而不能实现风能设备的额定功率的风特性的变化中进行干预。在所述意义上，期望的运行状态因此不限于额定功率。

借助于已知方法提供当前的风特性。适当的方法例如是风速计测量，但是也可以是风估测装置、激光雷达或类似方法。对于所述方法，优选地将特定的或所提供的风特性假定为是稳定的风特性，即不需要风特性的预测等。

在期望的运行状态下，风能设备的转子吸收恰好与当前的风特性相关的期望的空气动力学功率。在此应考虑，风速变化的识别、例如阵风的形式或变化的识别不通过所述方法限制。即所述方法不需要观察或跟踪风特性、例如风速，而是仅考虑当前所提供的风特性。然而，所述方法仅在风速的强烈变化时才干预风能设备的运行，因为在较小的变化的情况下，实际叶片角与稳态叶片角之间的差异通过具有一些延迟的风能设备的调节来补偿。如果只在风速的强烈的或快速的变化的情况下，调节的缓慢响应会确保稳态叶片角与实际叶片角的相应显著的偏差。

因此，根据所述方法，不识别阵风的模式或类型，而是经由根据本发明的方法，仅处理在短时间即尤其小于4s且特别地小于2s的短时间内的风速的强烈的不仅升高的而且降低的变化即尤其高于2m/s且特别地高于5m/s的变化的发生，使得实现塔上的从中得出的极端负载的减小。根据本发明的方法的主要优点是提早识别以及例如叶片的从中得出的提早的驶回，所述提早识别相对于用于调节风能设备的先前已知的解决方案提供了显著的时间优点。

在所述方法的优选的一个实施方式中，附加地考虑所提供的转速用于确定稳态叶片角。转速或从中导出的叶尖速比(Schnelllaufzahl)可以实现精确地确定稳态叶片角。

在所述方法的优选的一个实施方式中，稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值显著地有偏差意味着：偏差大于阈值或大于由多级阈值构成的系统，其中一个所述阈值或多个阈值优选地处于2°至3°的范围内。因此，在一个实施方式中，根据稳态叶片角调整风能设备的运行优选地包括：vi)确定稳态叶片角与转子叶片的实际叶片角或多个转子叶片的实际叶片角的平均值的偏差，vii)将偏差与所预设的第一阈值优选2°至3°之间的阈值进行比较，以及viii)如果偏差超过所预设的第一阈值，则调整风能设备的运行。

在最简单的示例中，简单的阈值用于判断所需的显著性存在还是不存在。也可考虑阈值和复变函数的改变和组合、例如分级的阈值。同样可以考虑多于一个的输入变量、即多于稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值的偏差，例如附加测量的或估测的速度。

因此，根据所述实施方式，首先确定稳态叶片角与一个或多个转子叶片的实际叶片角的偏差。在多个转子叶片的情况下，如果叶片可以实现单个叶片调节，则实际叶片角的平均值特别有意义。然后，将这种特定的偏差与所预设的第一阈值进行比较，并且仅当偏差超过所预设的第一阈值时，才调整风能设备的运行。完全地原则上，自然也可以在不超过阈值的情况下直接对运行进行调整，例如可以将叶片角直接调整到稳态叶片角。尽管这种风能设备自动地理论上或简单考虑地完美地被调节、即转速和功率最优地被调节，但是所提供的风特性的误差会引起提升的负载或转速过高/转速不足，因此不直接调整到稳态叶片角。因此，稳态叶片角与实际叶片角之间的偏差的阈值允许继续进行已知的转速和/或功率调节，并且仅当实际叶片角与经由所提供的风特性确定的稳态叶片角偏离显著的因数、例如2°和3°之间的因数时，才引起调整。

在所述公开的范围内，术语“阈值”尤其应在广义上理解，并且不应限于固定预设的值。对应地，术语“阈值”也同样应理解为多级阈值的斜坡或系统。尤其地，设置为斜坡的阈值可以与包括塔顶速度、风速等的另一参数相关。也可考虑阈值和复变函数的改变和组合、例如分级的阈值。同样可以考虑多于一个输入变量、例如多个测量到的或估测的速度。

当前，“塔顶”优选地理解为风能设备的塔的高度的上部50％。塔顶特别优选地涉及塔的上部20％，并且尤其涉及塔的上部10％。尤其地，在所述公开的范围内，在上下文中，对于负载/负载变化速度、吊舱/塔顶速度主要考虑塔顶在垂直于塔的高度方向的纵向方向上的运动。完全特别地，平行于风向延伸的纵向运动是相关的。对于吊舱的纵向运动、即与吊舱的旋转运动无关的运动，塔顶速度与吊舱的速度可以视为等同。换言之，塔顶速度可以表示和确定为吊舱的纵向运动或平移运动。

在一个优选的实施方式中，风能设备的运行的调整相对于实际叶片角或所有实际叶片角的平均值与稳态叶片角之间的偏差成比例地实现。因此，直至达到特定的偏差，仅以减小的方式实现设备的运行的调整。

在一个优选的实施方式中，方法还包括：ix)确定风能设备的塔顶在风的方向上的纵向速度和/或塔负载变化速度，x)将塔顶的纵向速度和/或塔负载变化速度与所预设的第二阈值或由多级阈值构成的系统进行比较。仅当塔顶的纵向速度和/或塔负载变化速度超过所预设的第二阈值时，才实现风能设备的运行的调整。

桨距角的调整、尤其桨距角的提升直接引起转子推力的减小。因此，根据塔顶处于摆动运动的哪个位置，桨距角的提升或风能设备的运行的调整可能是有利的，或者甚至是不利的。根据所述实施方式，塔顶的速度也考虑为用于调整风能设备的运行的条件。借此避免了对于塔负载或塔摆动进行不利的调整。

优选地，估测和/或计算和/或测量风能设备的塔顶和/或吊舱的速度。为此，例如可以以已知的方式考虑塔中的应变片，或者也考虑设置在塔顶中的加速度计。然而，当然也可设想用于确定塔顶速度的其他方法。

所预设的第二阈值优选地对应于塔顶以特定的数值向后即远离转子的速度分量。因此优选地，仅当塔顶以一定的速度向后摆动时，才实现转子叶片的驶回、即桨距角的提升，而当塔顶向前摆动时，不实现风能设备的运行的调整、即尤其叶片的驶回。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，对于塔顶的纵向速度，所预设的第二阈值或由多级阈值构成的系统处于0.1m/s至0.5m/s的量级。当然可以根据应用领域和尤其风能设备的尺寸对应地适当选择范围。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，所预设的第二阈值或由多级阈值构成的系统根据稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值的偏差的显著性形成。换言之，稳态叶片角与当前存在的一个或多个叶片角的偏差越强烈，则可以越大或越小地选择第二阈值或由多级阈值构成的系统。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，稳态叶片角与实际叶片角或所有实际叶片角的平均值的偏差的显著性实现为塔负载的复变函数、尤其塔顶的纵向速度的函数。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，方法作为前馈控制参与到用于风能设备的功率调节的控制器设计中。前馈控制可以实现提早识别和干预变化的情况、例如当前发生阵风。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，所述方法还包括：提供当前的转子有效风速，其中至少一个转子叶片的稳态叶片角的确定基于当前的转子有效风速实现。转子有效风速是有效地作用于转子以便例如产生特定的或测量到的空气动力学功率的风速。借此，估测有效地作用于转子的风速，而无需例如借助于风速计直接测量风速。借此，可以减少风速和/或风向的测量的测量不准确性。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，调整风能设备的运行包括：将最小叶片角确定为特定的稳态叶片角减去公差带，其中公差带优选地为1°至3°。

如已经说明的那样，可以将最小叶片角直接确定为特定的稳态叶片角。但是，有利的是在稳态叶片角周围设置公差带。因此，根据所述实施方式，调整运行使得最小叶片角虽然低于稳态叶片角，但是高于当前设定的实际叶片角。由此，也可以防止系统中的估测误差引起确定或接近过高的稳态叶片角，可以说通过根据本发明的方法超额实现目标。

替选地或附加地，在一个实施方式中，可以通过降低功率来实现风能设备的运行，例如借助于发电机力矩或直接作为功率的期望值来实现风能设备的运行。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，调整风能设备的运行包括降低转速。转速的降低尤其与功率的降低相关。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，基于空气密度、功率系数特性曲线、实际叶片角、风能设备的转速和转子的空气动力学功率来估测当前的转子有效风速。

空气密度例如可以从气象学数据中获得，或者直接通过风能设备处的测量来确定。功率系数特性曲线优选地涉及存在于风能设备中的通常称为c_P特性曲线的特性曲线。然后，根据如此表示的运行点，可以优选地确定对应于所述环境参数的风速，所述风速被称为转子有效风速。如已经详细地提及的那样，当然也可设想用于确定转子有效速度的其他形式的风估测装置。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，转子的空气动力学功率根据涡轮侧的功率平衡来计算，其中涡轮侧的功率平衡优选地包括：a)馈入到电网中的电功率b)测量到的或适当建模的热损失，以及c)为转子加速度和发电机加速度施加的功率。

优选地，用效率模型将风能设备的电功率(P_电)转化为气隙力矩，然后将其用于功率确定。再次由转子转速和转子的惯量确定的加速度功率分量用作用于所述气隙力矩的附加分量。通过这种修正因数表示：空气动力学功率的哪部分通过转子自身的加速度被消耗。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，至少一个转子叶片的稳态叶片角的确定作为计算出的叶尖速比和计算出的期望功率系数的函数来实现，其中a)叶尖速比作为所提供的风特性、风能设备的转速和转子的直径的函数来计算，和/或b)期望功率系数作为所提供的风特性、转子的直径、电功率的期望值和空气密度的函数来计算。

因此，在所述实施方式中，稳态叶片角优选地表示为两个变量的函数、即叶尖速比和功率系数的函数，并且例如可以以二维表格的形式存储。因此，然后在提供两个输入参数的情况下，可以从所存储的表格中读取期望的稳态叶片角。当然，也可以无需所存储的值而直接根据预确定的函数从输入变量中计算稳态叶片角。优选地，利用效率模型、即在考虑效率损失的情况下将电功率的期望值纳入到期望功率系数的确定中。电功率的期望值尤其表征风能设备的期望的运行状态，例如电功率的期望值处于大约额定功率中。

在一个优选的实施方式中，转速大约为额定转速，并且功率处于大约额定功率中，因为在其他情况下在风速改变时不会对预期的塔负载出现显著的效果。在所述实施方案中，确定稳态叶片角的问题减小了一个维度、即功率系数，并且基本上一维地仅还与估测的风速相关。这可以实现特别简单的要设计的实现方案，因为稳态叶片角的确定可以实现为关于叶尖速比的稳态叶片角的列表。所述实施方式的特别的优点通过如下方式获得：当前的转子有效风速不仅用于确定期望功率系数的输入，而且用于确定叶尖速比的输入。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，叶尖速比包括期望叶尖速比。近似地并且在另外的实施方式中，也可以使用实际叶尖速比替代期望叶尖速比。

因此，依照根据本发明的方法的特别适合于强阵风的前馈控制优选地使用c_P特性曲线以用于估测风速。方法的功能能力受相对于特性曲线的实际偏差的影响，从而受估测误差的影响。然而，例如，如果假设受污染的转子叶片的较差的叶片极性而不是最优的叶片极性，则已经证明，所述较差的叶片极性通常引起塔的进一步更小的负载。因此总体上应假设，根据本发明的系统对不准确的输入数据做出良好的响应。也就是说，如果发生估测误差，则估测误差虽然引起风速的估测不足和较小的期望叶片角，但是在任何情况下，由于通过污染引起的极性的变化，所述估测误差被部分补偿。总体上，塔负载因此甚至可以更小。

在根据本发明的方法的一个优选的实施方式中，确定稳态叶片角包括以下步骤：提供转子对于叶片角变化的灵敏度、尤其呈表格值的形式的灵敏度，其中灵敏度作为空气动力学功率的变化与转子叶片角的变化的比例根据叶尖速比来提供，基于实际叶片角或所有实际叶片角的平均值，利用灵敏度、尤其通过对灵敏度进行逐步积分(schrittweiseIntegration)直至达到期望的空气动力学功率，来确定稳态叶片角。

根据第二方面，根据本发明的目的通过一种风能设备来实现，所述风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片安装在所述转子的转子毂处，其中至少一个转子叶片的叶片角可以围绕所述至少一个转子叶片的纵向轴线关于转子毂调节。风能具有控制装置，所述控制装置设立用于，根据第一方面的至少一个实施方式的方法运行风能设备。

根据第三方面，根据本发明的目的还通过具有多个根据第二方面的风能设备的风电场来实现。

根据第二方面的风能设备和根据第三方面的风电场可以实现与参照根据第一方面的方法所描述的相同的优点。同样地，参照根据本发明的方法所描述的所有实施方式连同相关的优点可以转用于根据本发明的风能设备和根据本发明的风电场。

附图说明

下面参照附图描述其他优点和设计方案。在此示出：

图1示意性和示例性示出风能设备；

图2示意性和示例性示出风电场；

图3示意性和示例性示出现有技术中发生阵风的时间变化曲线；

图4示意性和示例性示出根据本发明的方法的图3中的时间变化曲线；

图5示意性和示例性示出根据本发明的风估测装置；

图6示意性和示例性示出根据本发明的强阵风前馈控制的方法；以及

图7示意性和示例性示出根据本发明的在受污染的转子叶片的轮廓极性的情况下的强阵风前馈控制。

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处设有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学转子106。空气动力学转子106在风能设备运行时通过风置于旋转运动中，并且因此也使发电机的电动力学的转子或转子部件旋转，所述转子或转子部件直接或间接与空气动力学转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角可以通过桨距马达在相应的转子叶片108的转子叶片根部处改变。

图2示出具有示例性三个风能设备100的风电场112，所述风能设备可以相同或不同。因此，三个风能设备100基本上代表风电场112的任意数量的风能设备。风能设备100经由电场电网114提供其功率、即尤其所产生的电流。在此，各个风能设备100的分别所产生的电流或功率相加，并且大多设有变压器116，所述变压器将电场中的电压升压变换，以便随后在也通常称为PCC的馈入点118处馈入到供给网120中。图2仅为风电场112的简化示图，所述示图例如未示出控制装置，尽管当然存在控制装置。电场电网114例如也可以不同地设计，在所述电场电网中，例如也在每个风能设备100的输出端处存在变压器，以便仅列举一个另外的实施例。

图3示意性和示例性示出发生阵风的时间变化曲线以及对风能设备和从中得出的负载的相关控制。在水平轴线上示出30秒的时间段，所述时间段阵风发生前的0至10秒的时间段、10至20秒的具有风速的显著变化即阵风的时间段、以及20至30秒的再次存在大致恒定的风速的时间段。图3竖直相叠地示出分别具有不同的描绘的值的四个图表。第一图表310示出具有所谓的极端运行阵风314(EOG，Extreme Operation Gust)的风速312，即，具有首先降低并且随后强烈升高的风速的强阵风的特定形式。

在图表310示出风速的同时，另一图表320示出叶片角329的变化曲线，图表330示出转子的转速339，以及图表340示出作用于风能设备的塔上的负载349。特别感兴趣的是图320中的桨距角的调节，即在图3中，所述调节在出现风速的最大值316之后引起转速过高334和极端的塔负载344。

桨距角变化曲线329是转子叶片的通过经典的调节器在时间上实际施加到转子叶片上的角度。所述叶片角通过基础的调节确定，其中桨距角329的实际变化曲线基本上由转速调节器确定，所述转速调节器在这种情况下将风能设备调节到额定功率。转速调节器与所谓的α最小调节(alpha-min-Regelung)叠加，所述α最小调节确定最小桨距角328，以避免过载，所述最小桨距角在调节中被确定为桨距角的下限。

已知的是，对于最小桨距角，所谓的α_min调节控制至少施加在叶片上的桨距角。借此确保一个或多个转子叶片的一个或多个桨距角不被设定小于特定的桨距角，所述特定的桨距角例如引起转子上的过度大的负载。因此，转子推力的减小可以不复杂地且以低的耗费集成到存在的α_min调节中或叠加在其上。因此，所述实施方案的特征在于用于设置和控制的少的额外耗费。

在阵风来临的区域325中可以看出，由于风速降低，转速调节器在最小桨距角328的方向上也使桨距角329进一步减小，这对阵风的进一步的变化具有毁灭性的后果。然后，当风速强烈升高时，在区域326中，桨距角329由于转速调节器而不能快速跟随。这种延迟在叶片旋出时、即在桨距角提升时引起已经表明的极端的转速334或极端的塔负载344。

在图3中还示出稳态叶片角324的根据本发明的变化曲线，所述稳态叶片角在考虑已知的转子特性、电系统和风特性的情况下引起风能设备的期望的稳定运行状态，尤其引起期望的空气动力学功率。直至阵风来临，即风速首先减小，桨距角329的实际值和稳态叶片角324平行地延伸。在强烈升高的区域326中可以看出，稳态叶片角324在已知的α最小调节的最小桨距角328之前随时间显著升高。因此，将稳态叶片角324用于前馈控制从而用于参与到风能设备的运行中恰好在区域326中提供优点，所述优点在下文中参照图4直观地示出。

与在图3中所示的传统的调节相比，图4示意性和示例性示出根据本发明的控制。桨距角329的传统的变化曲线与根据本发明的变化曲线322的不同之处在于，根据本发明，稳态叶片角324参与到调节中以用于前馈控制。在阵风的区域326中的时刻，传统地在若干秒后、即当已经达到阵风的峰值速度时，才实现顺桨(Herauspitchen)。与此相对，借助于根据本发明的控制方法根据桨距角322的变化曲线已经提早实现叶片角的提升，结果，这引起峰值负载的减小。也可在图表330和图表340中看出根据本发明的方法的区别。根据本发明，转子转速332特别处于借助于传统的调节达到的转速339下方的极端区域中。在塔负载的区域，极端值的减小可达到直至10％。

图5示意性和示例性示出根据本发明的风估测装置500。风估测装置500处理不同的输入变量，以便获得转子有效风速510。

首先，风估测装置500获得空气密度501、c_P特性曲线502和转子叶片的当前施加的叶片角503。

作为其他参数，转速504、转子惯量505和电功率506纳入到风估测装置500中。转速504和转子惯量505换算成用于加速度512的功率分量，并且与借助于效率模型516从电功率506中推导出的气隙力矩514组合成转子的空气动力学功率518。

图6示意性和示例性示出根据本发明的强阵风前馈控制。在步骤540中，将转子有效风速510与转速504和转子直径530一起用于计算叶尖速比λ(Lambda)。计算出的叶尖速比λ可以是实际叶尖速比或根据转子有效风速510得出的期望叶尖速比。

在步骤550中，从转子有效风速510中，进一步地与转子直径530和借助于效率模型516换算的期望电功率532一起计算功率系数c_P的期望值。电功率的期望值532通常是额定功率，因为特别在所述区域中存在极端负载的危险。

然后，在步骤560中，基于在步骤540中确定的叶尖速比和在步骤550中确定的功率系数的期望值来确定稳态叶片角570。稳态叶片角优选地不仅被定义为功率系数的函数，而且还被定义为叶尖速比的函数，并且例如可以以特性曲线等的形式存储。在风能设备的额定功率的区域中，维度可以减小为一维、即叶尖速比。

然后，在图6的框图中，在步骤600中将稳态叶片角570与两个另外的条件一起计算为用于强阵风前馈控制(SBV)的最小叶片值。然后，在步骤610中将所述最小叶片值馈入到设备的调节中。

在步骤600中，强阵风前馈控制的计算基于估测的稳态叶片角570。为此，检查是否达到阈值最小间隔580。仅当稳态叶片角与实际叶片角以至少阈值最小间隔580偏离时，才应干预根据本发明的控制，以便避免错误触发从而可能避免收益损失。用于控制的另一条件是风能设备的塔顶是否已经达到最小速度590。最小速度尤其处于从转子向后的方向上，使得通过转子叶片的旋出即桨距角的提升实现的推力撤回不增大塔摆动，从而不产生不期望的响应。但是，恰好在塔回摆时，推力的撤回是特别有帮助的，使得所述条件的接收示出进一步的改进。

最后，图7示意性和示例性示出如图3和图4所示的、即风速的变化曲线300、叶片角的变化曲线310、转子速度的变化曲线320和塔负载的变化曲线340的类似的视图。图7直观表示阵风314周围的时间局部，并且绘出转子叶片的所设置的极性对应于受污染的转子叶片的所设置的极性的情况。在图7所基于的情况下，在设备的控制中假定功率系数的(对于干净的叶片的)乐观的特性曲线，而以受污染的转子叶片、即空气动力学方面较差的转子叶片模拟效果。具有模拟的差的轮廓极性的叶片角722略小于具有干净的轮廓的叶片角322，而可以看出，转速变化曲线332与具有受污染的轮廓极性的转速变化曲线732之间的最大转速334基本相同，并且塔的最大预期的极端负载344对于受污染的转子叶片742甚至更小。因此，转子叶片的相对于所设置的功率系数较差的轮廓极性，即假定最优的功率系数并且通过例如叶片的污染实际上存在较差的功率系数，甚至可能引起极端负载低于真正假定的值。

Claims (24)

1.一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转子，所述空气动力学转子具有至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片安装在所述转子的转子毂处，其中所述至少一个转子叶片的叶片角能够围绕所述至少一个转子叶片的纵向轴线关于所述转子毂调节，其中所述方法包括如下步骤：

-提供当前的风特性，

-提供所述转子叶片的实际叶片角或所述转子叶片的所有实际叶片角的平均值，

-确定所述至少一个转子叶片的稳态叶片角，所述稳态叶片角在考虑已知的转子特性、电系统和所述风特性的情况下引起所述风能设备的期望的稳定运行状态，

-将所述稳态叶片角与所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值进行比较，

-如果所述稳态叶片角与所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值显著地有偏差，则使用所述稳态叶片角在用于所述风能设备的功率调节的调节器设计中进行前馈控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述期望的稳定运行状态包括由所述转子吸收的期望的空气动力学功率。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述稳态叶片角与所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值显著地有偏差意味着：所述偏差大于阈值或大于由多级阈值构成的系统。

4.根据权利要求3所述的方法，其中一个所述阈值或多个所述阈值处于2°至3°的范围内。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述风能设备的运行的调整相对于所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值与所述稳态叶片角之间的偏差成比例地实现。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法还包括：

-确定所述风能设备的塔顶在风的方向上的纵向速度和/或塔负载变化速度，

-将所述塔顶的纵向速度和/或所述塔负载变化速度与所预设的第二阈值或由多级阈值构成的系统进行比较，

其中仅当所述塔顶的纵向速度和/或所述塔负载变化速度超过所预设的第二阈值时，才实现所述风能设备的运行的调整。

7.根据权利要求6所述的方法，其中对于所述塔顶的纵向速度，所预设的第二阈值或所述由多级阈值构成的系统处于0.1m/s至0.5m/s的量级。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所预设的第二阈值或所述由多级阈值构成的系统根据所述稳态叶片角与所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值的偏差的显著性形成。

9.根据权利要求6所述的方法，其中所述稳态叶片角与所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值的偏差的显著性实现为所述塔负载的复变函数。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述稳态叶片角与所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值的偏差的显著性实现为所述塔顶的纵向速度的函数。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述方法还包括：

-提供当前的转子有效风速，

其中所述至少一个转子叶片的稳态叶片角的确定基于所述当前的转子有效风速实现。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中调整所述风能设备的运行包括：将最小叶片角确定为特定的稳态叶片角减去公差带。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述公差带为1°至3°。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其中调整所述风能设备的运行包括降低转速。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其中基于空气密度、功率系数特性曲线、所述实际叶片角、所述风能设备的转速和所述转子的空气动力学功率来估测所述当前的转子有效风速。

16.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述转子的空气动力学功率根据涡轮侧的功率平衡来计算。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述涡轮侧的功率平衡包括：

-馈入到电网中的电功率

-测量到的或适当建模的热损失，以及

-为转子加速度和发电机加速度施加的功率。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个转子叶片的稳态叶片角的确定作为计算出的叶尖速比和计算出的期望功率系数的函数来实现，其中

-所述叶尖速比作为当前的转子有效风速、所述风能设备的转速和所述转子的直径的函数来计算，和/或

-所述期望功率系数作为所述当前的转子有效风速、所述转子的直径、所述电功率的期望值和空气密度的函数来计算。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述叶尖速比是期望叶尖速比或所述叶尖速比与所述期望叶尖速比之间的加权平均。

20.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定所述稳态叶片角包括如下步骤：

-提供所述转子对于叶片角变化的灵敏度，其中所述灵敏度作为所述空气动力学功率的变化与转子叶片角的变化的比例根据叶尖速比来提供，

-基于所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值，利用所述灵敏度，来确定所述稳态叶片角。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述灵敏度呈表格值的形式。

22.根据权利要求20所述的方法，其中基于所述实际叶片角或所述所有实际叶片角的平均值，通过对所述灵敏度进行逐步积分直至达到期望的所述空气动力学功率，来确定所述稳态叶片角。

23.一种风能设备，所述风能设备具有空气动力学转子，所述空气动力学转子具有至少一个转子叶片，所述至少一个转子叶片安装在所述转子的转子毂处，其中所述至少一个转子叶片的叶片角能够围绕所述至少一个转子叶片的纵向轴线关于所述转子毂调节，其中所述风能具有控制装置，所述控制装置设立用于，根据权利要求1至19中至少一项所述的方法运行所述风能设备。

24.一种具有多个根据权利要求23所述的风能设备的风电场。