CN112236595A - 用于控制风能设施的方法，风能设施和风电厂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行风能设施的方法(200)，以及一种所属的风能设施(100)和一种所属的风电厂。风能设施(100)具有：塔(102)，所述塔具有在其上作用的塔负载；和空气动力学转子(106)，所述空气动力学转子产生转子推力。所述方法(200)包括降低(220)转子推力的步骤。降低转子推力在考虑(210)转子推力的降低对塔负荷的影响的条件下进行。因此，在造成对塔负荷的不期望的或甚至不利的影响的情况下，避免转子推力的降低。

Description

用于控制风能设施的方法，风能设施和风电厂

技术领域

本发明涉及一种用于运行风能设施的方法，一种所属的风能设施以及一种所属的风电厂。本发明尤其涉及一种用于运行风能设施的方法，所述风能设施具有：塔，所述塔具有在其上作用的塔负载；和空气动力学转子，所述空气动力学转子产生转子推力。用于运行风能设施的方法尤其具有降低转子推力的步骤。

背景技术

在控制或运行风能设施时已知的是，存在风能设施的如下环境和运行状态，对所述环境和运行状态有意义的是，空气动力学转子的一个或多个转子叶片快速地移回，这就是说，转子叶片的设定角与转速调控无关地提高。这通常在如下情况下是有意义的：风能设施的机械负荷、也就是说负载应降低，或者避免超载。在这种极端情形下，例如为了避免转子叶片上的极限负载，存在保护功能，所述保护功能产生降低转子推力、例如移回或向外调节转子叶片的指示。结果是，通过快速地移回转子叶片，转子推力突然降低。然而能够考虑如下情形，在所述情形中，所造成的转子推力的降低对于降低塔负载而言是不需要的或者甚至是适得其反的。这种情况之一是，过度降低转子推力，这与情形相关地会造成负面的或甚至危险的后果。

发明内容

在所述背景下，本发明的目的是，能够实现风能设施的改进的运行。

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：US 2017/0152 835 A1和CN106 194 580 A。

根据本发明，所述目的在开始提到类型的方法中通过如下方式来实现，在考虑转子推力的降低对塔负载的影响的条件下降低转子推力。

因此，如果例如通过风能设施的控制装置以传统的方式产生用于降低转子推力的指示，那么指示并非在任意情况下，而是在检查之后才生效。换言之，原本构成用于保护设施的功能，即降低转子推力不在全部情况下实现，而是匹配于风能设施的需求。这能够理解成在保护功能之前的保护功能。

尤其地，通过根据本发明考虑对塔负载的影响，如果例如回移对塔负载是不需要的或不利的，那么停止降低转子推力。

在一个优选的实施方案中，考虑转子推力的降低对塔负载的影响包括：如果转子推力的降低引起塔负载的提高，那么停止或减弱转子推力的降低。

尤其在塔向前、即朝向风的方向或朝向风出自的方向振动的情况中，转子推力对塔的振动运动产生制动力。如果转子推力在所述情形下降低，那么作用于塔的制动力减小，从而塔与其在转子推力未降低的情况下相比更快地并且更远地向前振动。由此尤其在该情况下，转子推力的降低引起塔负载的提高。通过根据本发明识别该情形并且例如停止转子推力的降低，那么能够降低作用于塔的极限负载。

在出现极端情形时，由风能设施的保护功能例如提出降低转子推力的指示。根据本发明，当转子推力的降低出于其他原因、尤其在考虑对塔的影响的情况下不是有意义的或者甚至是危险时，减弱或整体上停止所述保护功能的作用。本发明因此是保护功能中的一类保护功能，这能够防止，第一保护功能的干涉过强地失效。第一保护功能例如是负载控制，当转子叶片上的负载或叶片负载的变化速度过大时，所述负载控制进行干涉。尤其优选的是，对塔负载的影响根据本发明与功率和/或转速相关地考虑。

在一个优选的实施方案中，考虑转子推力的降低对塔负载的影响包括：当转子推力的降低引起作用于塔的负载的不需要的降低时，停止或减弱转子推力的降低。

如果例如产生用于降低转子推力的指示，那么根据该实施方案确定，在考虑对塔负载的影响的条件下，转子推力的降低是否是必需的。那么如果不管是否降低转子推力都没有极限负载在塔上出现，那么在观察负载的条件下不存在降低的必要性。然而如果降低转子推力，那么这会造成不必要的收益损失。通过根据该实施方案在该情况下停止转子推力的降低，那么风能设施的收益会优化。

在一个优选的实施方案中，该方法还包括确定塔负载的步骤，其中考虑转子推力的降低对塔负载的影响包括：将塔负载的变化与阈值进行比较。

塔负载的变化的确定优选地通过直接的或间接的测量进行。塔负载的确定的不同形式是本领域技术人员已知的。变化能够理解成塔负载的梯度。变化的方向优选对于塔的向后或向前振动是指示性的。借此，通过确定塔负载和/或塔负载的变化，能够确定塔的当前位置，并且根据变化是否超过阈值，能够降低或不降低转子推力。

在一个优选的实施方案中，考虑转子推力的降低对塔负载的影响包括：确定塔顶速度或吊舱速度。

因此，在该实施方案中，塔负载的确定不通过直接测量、而是间接地经由确定塔顶速度来实现。从塔顶速度中那么能够推断出占优的负载和尤其转子推力的降低的影响。

在一个优选的实施方案中，塔顶速度根据塔顶的加速度来确定。因此，塔顶速度也不是直接地、而是以推导的方式经由作用于塔顶的加速度来确定。这是尤其简单的，例如通过将加速度测量仪安置在塔顶中或安置在吊舱的区域中是可行的。简单地测量加速度因此通过简单的变形对于对塔负载的预期的影响是指示性的。

作为塔顶在本文中优选理解成风能设施的塔的高度的上部50％。尤其优选地，塔顶涉及塔的上部的20％和尤其上部的10％。尤其地，在本公开的范围中，在上下文中负载/负载变化速度、吊舱速度/塔顶速度主要观察塔顶沿纵向方向垂直于塔的高度方向的运动。更特别地，平行于风向的纵向运动是重要的。

在一个优选的实施方案中，只要沿风向的塔顶速度超过预定的阈值，那么停止转子推力的降低。

在该实施方案中，如果塔顶速度具有沿风向的分量，使得转子推力的降低会向前增强塔弯曲，那么能够避免尤其不利的情形。预定的阈值也可以是负值，使得与风向相反的少量的振动分量会引起转子推力的降低。然而，该实施方案尤其引起：刚好塔以高的速度向前振动的情形由转子推力的降低所排除。

在一个优选的实施方案中，转子推力的降低包括提高空气动力学转子的至少一个转子叶片的桨距角。

一个或多个转子叶片的桨距角的提高直接引起转子推力的降低，如此外已知的那样。转子叶片能够经历相同的桨距角提高，或者转子叶片能够单独地或分组地控制。附加地或替选地，也能够控制一个或多个转子叶片、例如动态表面形状或配件、如盖的形状改变，以便实现转子推力的降低。结果引起转子推力的降低的其他适合的控制装置也能够以相同的方式使用。

在一个优选的实施方案中，转子推力的降低包括提高最小桨距角。

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设定成低于特定的桨距角，所述特定的桨距角例如引起对转子的过大的负载。转子推力的降低因此能够不复杂地并且以少量耗费集成到现有的α_min调节中，或者在其上叠加。该实施方案因此特征在于用于设立和控制的小的多重耗费。

在一个优选的实施方案中，转子推力的降低包括减小期望转速。期望转速的减小能够对提升最小桨距角替选地或附加地进行。也可以设想对控制的其他干预，结果得出转子推力的降低。

在一个优选的实施方案中，在考虑转子推力的降低对塔负载的影响的条件下降低转子推力，其方式为：空气动力学转子的转子叶片中的至少一个转子叶片的桨距角的最大允许的变化作为塔负载的复合函数、尤其作为塔顶速度的函数来实施。

通过根据该实施方案的实现方案，能够实现尤其精确的控制。尽管所述实现方案比与阈值比较更复杂，然而由此能够得到明显更有效的调控。尤其地，转子推力的降低那么能够尤其精确地匹配于环境条件。

桨距角的变化越大，则对转子推力的降低或升高的作用就越大。因此，在该实施方案中，对于特定的塔顶速度能够确定最大允许的变化，例如当塔顶向后振动时，桨距角的变化能够不受限制，然而在塔顶向前运动的情况下明显受限制。在此，出现变化速度和变化的量值。仅在桨距角的绝对变化足够时，才预期对负载的明显的影响。变化越快，即变化速度越大，则对负载的影响在此越大。

根据另一方面，所述目的根据本发明通过一种风能设施来实现，所述风能设施具有：塔，所述塔具有在其上作用的塔负载；空气动力学转子，所述空气动力学转子产生转子推力；和控制装置。控制装置设计用于，按照根据本发明的方法的至少一个实施方案运行风能设施。

所述风能设施相对于已知的风能设施例如能够以对塔的较小的预期的负载来设计，因为所述控制方法构成用于，例如在塔向前振动时避免极限负载。此外，根据本发明的风能设施能够实现优化的能量收益，因为避免转子推力的不必要的降低和与之关联的功率损失。根据本发明的风能设施连同与其关联的优点能够与根据本发明的方法的全部作为优选来描述的实施方案进行组合。

根据另一方面，所述目的根据本发明通过具有多个根据本发明的风能设施的风电厂来实现。

附图说明

其他优点和示例性的实施方案在下文中参照所附的附图来描述。在此示出：

图1示意地并且示例性地示出风能设施，和

图2示意地并且示例性地示出根据本发明的用于运行风能设施的方法的流程。

具体实施方式

图1示出根据本发明的风能设施的示意图。风能设施100具有塔102和塔102上的吊舱104。在吊舱104上设有空气动力学转子106，所述空气动力学转子具有三个转子叶片108和导流罩110。空气动力学转子106在风能设施运行时通过风置于转动运动从而也转动发电机的电动转子或旋转体，其直接地或间接地与空气动力学转子106耦联。电发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过相应的转子叶片108的叶片根部处的桨距马达改变。

通过由空气动力学转子106产生的推力，尤其塔102发生振动。塔振动的主要运动方向是沿着射入的风或吊舱104的方位角设定的方向。通过塔102的振动，不可忽略的负载作用于塔102上。所述负载对于塔102的设计具有决定性的意义。本发明现在能够实现：能够将风能设施控制成，使得塔102上的极限负载减小，由此塔102能够更容易地从而更成本适宜地设计。

在该实例中，为了估计作用于塔102的负载，在塔102的上部区域中，即在所谓的塔顶中设置有加速度传感器112。替选地，只要加速度测量能够实现推断出作用于塔102的加速度，加速度传感器112也能够设置在塔102的其他区域中或也设置在吊舱104的区域中。也可以设有多个加速度传感器112。

借助于加速度传感器112确定塔负载通过如下方式进行：测量的加速度值确定塔顶的速度，借此确定或估计在周期性振动之内的位置和基于此确定或估计作用于塔102的负载。

根据本发明的用于运行风能设施100的方法200下面参照图2描述。方法200包括考虑转子推力的降低对塔负载的影响的步骤210和基于此降低转子推力的步骤220。

本发明的核心基于如下认知：转子推力的降低，如其通常在特定的状态中在风能设施的控制装置中实现的那样，在一些情形中是适得其反的或者是不需要的。即，与转速调控无关地存在如下环境状态或风能设施的如下状态，在所述状态中有意义的是，降低转子推力，例如其方式为：将转子叶片108快速地移回，也就是说，转子叶片108的桨距角强烈地或快速地提高。这例如在风能设施的机械负荷，即负载应降低，或者应避免超载时是这种情况。用于降低转子推力的可能的实现方案包括提高用于一个或多个转子叶片的最小叶片角或者还有降低风能设施的期望转速。这引起，转子推力突然减小，这不是在任何情况下都是期望的。本公开那么用于：使转子推力的可能由其他保护功能要求的降低减弱或者停止，即不超过对于风能设施的全部部件有益的程度。

如果例如转子叶片快速地移回，也就是说转子叶片的桨距角快速升高，并且塔102同时向前振动、也就是说基本上振动到风中，那么转子106的推力的减小引起塔102还更快地并且尤其更大程度向前振动。在此，能够出现塔102的极限负载。在另一情形中，转子叶片108但是也快速地移回，以便保护塔102本身免于超载。在此应避免塔102通过转子106的推力继续向后、即沿着风的方向被按压。但是如果塔102刚好向前、这就是说向风中振动，那么不出现对塔102超载的危险。如果在该情况下转子106的转子推力降低，那么可能不必要地损失收益。

出于所述原因，首先在步骤210中检查，转子推力的降低的影响是否是有意义的和必要的。仅当满足所述条件时，根据本发明的方法200在步骤220中实际上降低转子推力，例如通过提高转子叶片108的最小桨距角或者通过降低期望转速。用于降低转子推力的其他可行性当然也是可能的。

在该实例中，步骤210中的考虑通过如下方式实现：风能设施的适合的控制单元优选检查转子106的推力的降低既不是不利的，也不是不必要的。对此使用加速度传感器112，借助于所述加速度传感器在该示例中计算或估计塔顶的或吊舱104的速度。速度能够经由塔顶的在该实例中测量的加速度确定。对借助于加速度传感器112确定替选地，也能够使用负载测量，以便得出塔顶速度。在其他实例中，被确定的负载的改变本身也能够用于评估转子推力的降低的影响。

在最简单的实例中，阈值、例如塔顶速度的阈值、吊舱速度的阈值或还有负载的改变的阈值用于评估是否应降低转子推力。在该情况下，转子推力仅在达到阈值的情况下降低。在替选的实施方案中，但是也能够作为对影响指示性的参数、例如塔顶速度、吊舱振动速度或还有负载变化速度的函数形成用于变桨速度的最高值、替选地用于减小转子推力的全部其他控制。

能够考虑由阈值和复合函数构成的组合和变型形式，例如多级阈值。同样能够使用多于一个的输入变量，例如多个测量的或估计的速度。

Claims (13)

1.一种用于运行风能设施的方法，其中所述风能设施(100)具有：塔(102)，所述塔具有作用在其上的塔负载；和空气动力学转子(106)，所述空气动力学转子产生转子推力，其中所述方法(200)包括降低(220)所述转子推力的步骤，

其特征在于，

所述转子推力的降低在考虑(210)所述转子推力的降低对所述塔负载的影响下进行。

2.根据权利要求1所述的方法，

其中考虑(210)所述转子推力的降低对所述塔负载的影响包括：当所述转子推力的降低引起所述塔负载的提高、尤其导致所述塔的极限负载时，停止或减弱所述转子推力的降低(220)。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中考虑(210)所述转子推力的降低对所述塔负载的影响包括：当所述转子推力的降低引起作用于所述塔的负载的不需要的降低时，停止或减弱所述转子推力的降低(220)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

所述方法还包括确定所述塔负载的步骤，其中考虑(210)所述转子推力的降低对所述塔负载的影响包括：将所述塔负载的变化与阈值进行比较。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中考虑(210)所述转子推力的降低对所述塔负载的影响包括：确定塔顶速度或吊舱速度。

6.根据权利要求5所述的方法，

其中根据所述风能设施的塔顶的或吊舱的加速度来确定所述塔顶速度和/或所述吊舱速度。

7.根据权利要求5或6所述的方法，

其中只要所述塔顶速度沿风向低于预定的阈值，则停止所述转子推力的降低(220)。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述转子推力的降低(220)包括提高所述空气动力学转子(106)的至少一个转子叶片(108)的桨距角。

9.根据权利要求8所述的方法，

其中所述转子推力的降低(220)包括提高最小桨距角。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中所述转子推力的降低(220)包括减小期望转速。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，通过作为所述塔负载的复合函数，尤其作为塔顶速度的函数来实施所述空气动力学转子(106)的转子叶片(108)中的至少一个转子叶片的桨距角的最大允许的变化的方式，在考虑所述转子推力的降低对所述塔负载的影响的条件下进行所述转子推力的降低(220)。

12.一种风能设施(100)，所述风能设施具有：塔(102)，所述塔具有作用在其上的塔负载；空气动力学转子(106)，所述空气动力学转子产生转子推力；和控制装置，

其特征在于，

所述控制装置设立用于，按照根据权利要求1至11中至少一项所述的方法来运行所述风能设施(100)。

13.一种风电厂，所述风电厂具有多个根据权利要求12所述的风能设施(100)。

Images