CN113090457A - 用于运行风能设备的方法，风能设备和风电场 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行风能设备(100)的方法、一种所属的风能设备(100)和一种风电场。所述方法包括：a)提供表示在风能设备(100)的转子(106)的转子叶片(108)的压力侧上出现流动分离的指示器，以及b)利用该指示器改变风能设备(100)的运行管理，其中指示器包括转子叶片(108)的桨距角。通过使用桨距角用作指示器，能够有效地防止在转子叶片(108)的压力侧上的流动分离。

Description

用于运行风能设备的方法，风能设备和风电场

技术领域

本发明涉及一种用于运行风能设备的方法、一种所属的风能设备和一种风电场。

背景技术

风能设备是已知的，其借助于具有至少一个转子叶片的空气动力学转子从风中提取能量并将其转换为电能。电能随后例如被馈入到供电网中。

就这一点而言，还已知的是，由于供电网的电网运营商的要求，仅要求或需要风能设备的经节流的馈入功率，以便防止电网过载。

根据现有技术，在这种情况下，在功率优化的运行模式的运行特性曲线上，尤其在转速-功率特性曲线上将转速降低，直至出现所期望的或所要求的降低的额定功率水平。于是这不可避免地导致：功率降低的运行模式总是比功率优化的运行模式具有更低的额定转速。

额定功率在所谓的额定风速中实现，并且针对功率降低的运行模式的额定风速低于针对功率最佳模式的额定风速，这是很容易理解的。在风速高于额定风速的情况下，所述设备例如通过使转子叶片变桨而与风速无关地调节至额定转速N_soll。在自预定义的风速开始的示例性的暴风运行中，所述设备调节至与风速有关的转速，所述转速在暴风运行中从额定转速下降至自由旋转转速。

已知的是，在转子叶片处的功率转换减少而风速增加时，在转子叶片上出现如下迎角分布，所述迎角分布设计为，使得在内部叶片区域中的迎角相对于正常运行增加而在外部叶片区域中的迎角减小。风的随着风速增加而积累的动能必须在下调运行中转换成转子叶片的转动能量中的变得越来越小的份额。

在高风速和低额定功率的情况中，驱动力矩仅在内部叶片中产生，而在外部叶片上没有功率转换或发生小的功率转换。在此，在外部叶片上可能出现数值上大的(负)迎角，使得在压力侧上存在流动分离的危险。

一旦低于一定的极限迎角，这种压力侧的流动分离可能会突然出现。在此，这会导致显著的噪音生成，并且可能导致气弹的不稳定性，这两种现象都必须避免。

因此致力于使所述设备不运行为，使得在转子叶片轮廓的压力侧上发生流动分离，也称为负失速。在转子叶片上是否存在如下轮廓剖面，在所述轮廓剖面中在设备运行时在额定功率降低和高风速的情况下有负失速危险，一方面自然与所使用的转子叶片轮廓的特征性性质相关，而另一方面也与转子叶片设计相关。因此，例如使用所谓的向后扭转显著提高了在下调的运行点中产生负失速的风险。将向后扭转理解为在转子叶片的朝向叶片尖端的最后5％上转子叶片扭曲的显着增加，该转子叶片扭曲根据设计程序为直至大约7°。这种设计程序通常用于减少设备负荷。但是，叶片尖端区域的负荷减少于是不可避免地导致在叶片尖端区域中强烈减小的迎角，并且在下调运行中导致不期望地出现负失速。因此，转子叶片研发者在其设计自由度中受到限制，并且可能会仅在有限的范围内使用减轻负荷的措施，例如向后扭转。替选地，所述设备在下调运行中可能就已经必须过早地关闭，这又以不可接受的方式降低了强风情况下设备的可用性。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种风能设备和一种所属的用于运行风能设备的方法，所述风能设备和所述方法确保安静且空气动力学稳定的运行，尤其在额定功率减小的情况下。

根据一个方面，提出一种用于运行风能设备的方法，所述方法包括：a)提供用于在风能设备的转子的转子叶片的压力侧上出现流动分离的指示器；以及b)利用所述指示器改变风能设备的运行管理，其中所述指示器包括转子叶片的桨距角。

本发明用于如下目的：在风能设备的运行时避免具有在转子叶片轮廓的压力侧上的流动分离的运行状态。这种流动分离会引起气弹现象，所述气弹现象导致转子叶片振动，所述转子叶片振动又会导致提高的设备负荷。此外，本发明用于如下目的：避免在设备的强风/暴风运行时强烈增加的噪声排放。

因此，在此提出建立一种指示器，所述指示器及时并且可靠地识别负失速的危险，以便必要时采取措施，该措施例如改型的运行管理再次降低这种风险。因为压力侧上的流动分离可能出现得非常突然，并且与其相关的负面影响也非常突然的发生，所以使用可良好地检测的指示器来启动精确计划的措施就愈发重要。

将风速用作为流动分离开始的指示器是显而易见的，并且风速实际上在现有技术中也用于在暴风调控中调控所述设备。能够例如借助于安置在吊舱上的风速计来求取风速，并且根据仿真已知在何种风速中在转子叶片上出现临界的负迎角。然而，在这种方法途径中问题在于，借助于在吊舱风速计处的风速测量无法精确地求取自由的迎流中的风速。由于位于吊舱风速计上游的转子平面中的功率提取，必须校正风速计处的风速。这种校正函数尤其是风速、转子转速和桨距角的函数。因为存在大量下调的运行模式，电网运营商有时需要无级的下调的功能，所以实际上几乎不可能以必要的精度求取校正函数。

在这一点上，运行点是风能设备的特性曲线族中或特性曲线上的特定的点，根据系统特性以及发生作用的外部影响和参数来占用所述点。运行点例如能够包括设备转速、所产生的电功率、桨距角等。在此，尤其将用于设定运行点的控制或调节技术上的执行理解为运行管理。

优选地，测量或确定桨距角，尤其通过桨距调节装置的所设定的位置来确定。通常，桨距角在风能设备中已经作为测量变量存在，并且据此不必烦琐和/或有误差地通过如风速那样的其他方法来确定。

通过使用桨距角作为指示器，能够有效地防止在转子叶片的压力侧上的流动分离。

在一个优选的设计方案中，针对风能设备的多个运行点，尤其针对风能设备的多个转速，提供指示器的临界值，在所述临界值时在压力侧上发生流动分离，并且所述方法还包括，将当前的指示器值与用于当前的运行点的临界的指示器值进行比较，其中一旦指示器值和临界的指示器值之间的差小于预定的安全值，那么进行改变运行管理的步骤。

因此提出，将桨距角作为调控策略的指示器和触发标准，以便避免出现负失速。导致风能设备的运行点改变的调控策略尤其在全负荷范围中在高风速的情况下应用，但是例如并非仅仅是在功率降低的运行或暴风调控时的转速提高。桨距角在所述设备中已经作为测量变量存在，并且可借助于不那么耗费的仿真方法预先非常精确地确定临界的桨距角，在所述临界的桨距角中达到临界的迎角。如果达到临界的桨距角，那么可启动修改后的运行管理，以便例如再次降低负失速的危险。

因此，指示器的临界值优选以表格形式提供或作为函数在风能设备的设备控制装置中提供。所述值可通过实验或更简单地经由仿真求取，例如借助于临界的迎角，尤其在外部叶片区域中。例如能够在以表格说明的值之间进行插值。替选于插值，也可行的是，始终将指示器的较低的值用作为临界值。由此进一步增加了避免负失速的安全性。

在一个实例中，安全值能够为“0”。优选地，在该实例中，所提供的临界的指示器值已经相对于实际上开始发生流动分离的值具有安全距离。通常，应注意的是，通过使用桨距角，能够非常精确地预测负失速的发生，使得与其他方法相比，安全值能够更低。

安全值在所有运行点上都能够是相同的，或者也能够与其他因素相关。例如有利的是，安全值与当前的涡流强度相关。在这种情况下有利的是，更大的涡流强度带来更大的安全值。由此，即使在极其涡流的风况中也可以在不出现负失速的情况下运行。替选地或附加地，也可以考虑其他参数。

指示器的临界值优选地基于转子叶片的迎角分布和临界迎角来确定。

在压力侧上出现流动分离的临界的迎角与轮廓和轮廓沿着转子叶片纵轴线的位置相关。临界的迎角例如能够在0°以下的范围内，例如-8°。临界的迎角也与其他因素相关，例如表面特性，例如转子叶片的污染状态。临界的迎角的确定以及对临界的迎角的影响通过实验并且通过仿真都是本领域技术人员众所周知的。就在这一点上提及迎角而言，有效的迎角优选是相关的。

优选地，临界的指示器值对应于临界的桨距角。据此，如果桨距角保持在临界的指示器值以下，那么能够防止在压力侧上出现流动分离。

优选地，临界的指示器值随着转子转速提高而减小。

根据本发明，已经认识到，提高转速导致有效的迎角相对于变化的风速具有更大的公差，使得仅明显更高的风速才导致临界的迎角，所述临界的迎角于是引起压力侧上的流动分离。

相反，桨距角必须保持在较低的值上，也就是说，临界的指示器值与在转速较低时相比更低。这尤其在功率降低的运行中是有利的，因为在该处转速通常低于用于功率优化的运行的额定转速，使得在此能够通过转速提高来降低此处的负荷和出现的噪音。

优选地，临界的指示器值与在下调的运行中降低的额定功率的大小不相关地确立和/或随着下调的增加而增加。

在这种情况下已经查明：下调的程度仅对指示器的临界值具有次要的影响。功率最佳的运行与下调到额定功率的百分之几的，即非常强烈地下调的运行之间的差例如能够在几度的范围内，使得在实践中能够不予考虑。

在这种情况下，优选使用用于强烈下调的运行的指示器的临界值，因为该临界值比用于功率优化的运行的值小几度，从而在功率下调的所有阶段中实现在压力侧上没有流动分离的运行。

优选地，根据转子叶片的轮廓表面状态，尤其污染来提供临界的指示器值。

优选地，指示器指示在转子叶片的外部区域中，尤其在远离转子的中心大于转子半径的70％，尤其大于转子半径的90％的外部区域中出现流动分离。在该区域中，一方面，在压力侧上出现流动分离是尤其频繁的，另一方面，在该区域中与其关联有最大的负荷。

优选地，风能设备以降低的额定功率在功率降低的运行中运行。

在这种运行中转速通常低于用于功率优化的运行的额定转速，由此根据本发明的方法在此例如能够通过转速提高来减少负荷和出现的噪音。在功率降低的运行中，由于通常较大的桨距角，整体上产生负失速的危险也是较高的。

优选地，改变运行管理的步骤包括提高转速。

特别地，提高转速实现：临界的迎角可朝向更高的风速移动。因此，防止或至少延迟风能设备的不期望的关闭。

改变运行管理的步骤优选实施为调控策略。

所述调控策略要么能够在每个运行点都有效并且能够监控指示器，即尤其桨距角。替选地，可设想的是，仅当存在最小风速和/或最小转速时才激活调控策略。由此，因为需连续监控更少的参数，所以能够整体上简化调控。在这些区域中，使用风速作为指示器是尤其不准确的。

因此，根据本发明的方法实现：能够与风测量不相关地实现对出现负失速的有效避免。因为桨距角以可精确测量的方式存在或者在所述设备中作为特定的变量存在，所以监控作为指示器的桨距角实现：非常精确地确定是否存在压力侧上流动分离的危险。

在另一方面中，提出一种风能设备，所述风能设备具有可以一定转速运行的空气动力学的转子。空气动力学的转子具有至少一个具有纵轴线的转子叶片，所述转子叶片包括压力侧和与压力侧相对置的吸力侧；以及桨距调节单元，所述桨距调节单元用于使转子叶片围绕纵轴线转动运动以便设定桨距角；指示器单元，所述指示器单元提供指示器的临界值，所述临界值表示在转子叶片的压力侧上开始发生流动分离，其中指示器包括桨距角；控制设备，所述控制设备设立用于控制风能设备的运行点，使得指示器保持低于由指示器单元所提供的指示器的临界值。

优选地，控制设备适配于控制桨距角，使得不超过指示器的临界值。

优选地，指示器单元构成用于，根据转子的转速来提供指示器的临界值，其中控制设备适配于控制风能设备的桨距角和/或转速，使得不超过指示器的临界值。

优选地，风能设备还具有下调单元，所述下调单元用于在具有减小的额定功率的功率降低的运行中运行风能设备，其中控制设备适配于在功率降低的运行中提高转速，使得指示器保持低于由指示器单元所提供的指示器的临界值。

风能设备，尤其其控制装置，可有利地与所述方法的所有描述为优选的实施方案组合。

在另一方面中，提出一种具有至少一个根据本发明的风能设备的风电场。

附图说明

下面参考附图描述其他优点和特殊的设计方案。在这种情况下示出：

图1示意性地并且示例性地示出风能设备；

图2示意性地并且示例性地示出转速-功率特性曲线；

图3示意性地并且示例性地示出关于风速的桨距角和迎角的图；

图4示意性地并且示例性地示出另一图；以及

图5示意性地并且示例性地示出另一图。

具体设计方案

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上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的空气动力学的转子106。空气动力学的转子106在风能设备的运行时通过风进入旋转运动从而也使发电机的电动转子或发电机转子旋转，所述电动转子或发电机转子直接或间接与空气动力学的转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部处的变桨马达改变。

图2示意性地并且示例性地示出特性曲线200，所述特性曲线示例性地示出水平轴线上的转速N和竖直轴线上的所产生的电功率P之间的关系，其中其他特性曲线也是可行的。研发功率降低的运行模式，以便满足电网运营商的需求，所述电网运营商例如在风很大时仅要求风能设备100或风电场的节流的馈入功率，以便防止电网过载。在此，根据现有技术，根据功率优化的模式的运行特性曲线，例如特性曲线200将转速降低至出现降低的额定功率水平。这于是不可避免地导致：功率降低的运行模式与功率优化的模式相比总是具有更低的额定转速。图2示意性地示出对于直至达到额定功率的范围而言功率优化的运行模式210和功率降低的模式220的运行特性曲线(BKL)的实例。

图3示例性地并且示意性示出对于水平轴线上的不同的自由的风速v_inf而言，在竖直轴线上的有效的迎角α_eff和桨距角θ的线图300。有效的迎角330、340示例性地在转子叶片部段处在转子叶片长度的90％中示出，因为在该部位处存在很大的出现负失速的风险。相对应的桨距角作为线310、320示出。

在线图300的左侧示出有效的迎角α_eff的需示例性理解的刻度，桨距角θ的刻度以设置在线图300的右侧的方式示出。这同样适用于其他的图4和图5。

线图300示出对于两种不同的转速而言为设备标称功率的15％的降低的额定功率。实线310和340描述在根据现有技术针对该下调的运行模式所设置的转速中的情况，其中转速大约为标称功率中的标称转速N_soll的65％。虚线320和330说明对于下调到标称功率的15％的模式的将转速提高到N_soll时的情况。

也就是说，整个图3涉及下调的运行。用于桨距角θ的线310和用于由其产生的有效的迎角α_eff的线340对应于在转速降低时的情况，其中降低的转速与在下调的运行中在功率降低时常见的状况一致，而针对以虚线示出的线320和330，转速提高，更确切地说提高到如下值，所述值基本上对应于在标称功率中的标称转速N_soll。

该绘图的信息内容应根据一些具体的数值实例来说明。首先假设：对于出现负失速，在该叶片剖面上的临界的迎角为-8°。按照根据现有技术的运行管理，在风速例如为v＝17m/s时可能达到-8°的临界的迎角。在风速的宽的范围上，在高于例如v＝5m/s的切入风速时，有效的迎角α_eff随着风速的提高而单调地减小。

如果负失速的出现导致所不期望的现象，如因气弹不稳定性而引起的负荷提高或噪声提高，那么在没有另外的措施的情况下，现在，即在达到临界的有效迎角α_eff时必须关闭设备，或者至少进一步降低转速N。

在这种情况下，所属的临界的桨距角例如约为29°。如果此时将转速提高到例如N_soll，那么仅在22m/s时，即仅在更高的风速中才达到-8°的临界的迎角。这通过以虚线示出的线330，与针对降低的转速的实线示出的线340相比，仅在较高的风速中，即在图中更右侧才达到迎角的特定的值。

以多少量值提高在转速提高后达到临界的迎角的风速，与在该叶片剖面上使用的轮廓相关。如果临界的迎角例如为-9°，那么临界的风速从19.5m/s提高到>25m/s，也就是说，可能提高到降低转速和功率的暴风调控的范围中。如果临界的迎角已经为-4°，那么临界的风速会从靠近10m/s增加到略微超过11m/s，由此仅无足轻重地延迟诸如关闭的措施。

如果返回上述临界的迎角为-8°的假设并且继续假设风速恒定，那么在图3中识别到：由于转速提高，迎角从-8°提高到大约-6.5°从而远离负失速。桨距角例如从29°减小到大约22°，这产生线310和320的比较。

直到在提高的转速N_soll时在22m/s时迎角再次达到-8°的临界点，桨距角才提高到大约27°，也就是说，临界的桨距角随着转速的提高而略微减小，在数值实例中从29°减小到27°。也就是说，临界的桨距角优选至少是转速的函数。下面将说明与下调的模式的功率水平的相关性。

图4示出与图3的线图300具有相同的轴线的线图400。在转速提高到期望转速N_soll时，对于两种下调到额定功率的15％或25％的运行模式在90％的半径中的转子叶片横截面上示出桨距角和迎角。线410和420据此对应于在下调到额定功率的15％或25％的运行时的桨距角变化曲线。线430和440对应于有效的迎角的变化曲线，其中实线410、440属于降低到额定功率的15％的运行而虚线420、430属于降低到额定功率的25％的运行。

在15％模式的情况下，在示例性地假设临界的迎角为-8°的条件下在风速为22m/s，桨距角为27°时达到负失速。在25％模式的情况中，在风速约为23.5m/s，桨距角为28°时达到负失速。在该实例中变得清楚的是，临界的桨距角作为功率降低的运行模式中负失速的指示器与相应的功率水平相关。如果在实际情况中认为差异小，那么能够将这两个临界的桨距角中的较小者用于这两种模式，这简化了控制。

在使用桨距角作为指示器时的另一个不确定性是因污染引起的改变的轮廓特性。一方面，出现负失速时的迎角会改变。在许多实际情况下，这种改变非常小，使得能够针对不同的轮廓污染程度限定唯一的失速极限。另一方面，对于已改变的轮廓特性，产生改变的桨距控制。

图5示出线图500，其具有与图3中的线图300相同的轴线。线510和520对应于对于减小到额定功率的25％的运行而言桨距角关于风速的变化曲线，线530和540是所属的有效的迎角。干净的轮廓归属于实线510和540，而被污染的轮廓归属于线520和530。

从图5中可看到，对于干净的流动轮廓(清洁)在大约21.5m/s的风速和29.5°的桨距角时达到-8°的临界迎角。对于被污染的轮廓(倾翻的(tripped))，这些值改变为23.5m/s和31°度。在实际情况中，通过能够将这两个桨距角中较小者限定为用于这两种情况的临界的桨距角，可再次避开29.5°和31°的差异。

此外，如果假设因轮廓的污染引起失速极限即临界的迎角从-8°到-7°的移动，那么负失速的值对改变为在20m/s时的27.5°的桨距。在这种情况下，临界的桨距角能够与轮廓特性无关地确定为27.5°。

然后，清洁的叶片在风速约20m/s而不是21.5m/s时就已经触发相应的调控策略，如转速提高。据此优选地，在选择对临界的桨距角的限定时，考虑轮廓表面状态，如污染。然而，可行的是，在实际情况下为所有轮廓状态限定一个桨距角就足够了。

本发明能够在所有变桨的、转速可变的能够检测桨距角的风能设备中应用。

Claims (17)

1.一种用于运行风能设备(100)的方法，包括：

-提供在所述风能设备(100)的转子(106)的转子叶片(108)的压力侧上出现流动分离的指示器，

-利用所述指示器改变所述风能设备(100)的运行管理，

其中，所述指示器包括所述转子叶片(108)的桨距角。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，测量或确定所述桨距角，尤其通过桨距调节装置的所设定的位置来确定。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，

其中，对于所述风能设备(100)的多个运行点，尤其对于所述风能设备(100)的多个转速(N)，提供所述指示器的在所述压力侧上开始出现流动分离的临界值，并且所述方法还包括：

-将当前的指示器值与用于当前的运行点的临界的指示器值进行比较，其中一旦所述指示器值与所述临界的指示器值之间的差小于预定的安全值，就进行改变所述运行管理的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，根据所述转子叶片(108)的迎角分布和临界迎角来确定所述指示器的所述临界值。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述临界的指示器值对应于临界的桨距角。

6.根据上述权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，所述临界的指示器值随着所述转子(106)的转速(N)提高而减小。

7.根据上述权利要求3至6中任一项所述的方法，其中，与在下调的运行中的降低的额定功率的大小无关地确定所述临界的指示器值，和/或随着下调的增加而增加所述临界的指示器值。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，其中，与所述转子叶片(108)的轮廓表面状态，尤其污染相关地提供所述临界的指示器值。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述指示器指示在所述转子叶片(108)的外部区域中，尤其在远离所述转子(106)的中心大于转子半径的70％，尤其大于转子半径的90％的外部区域中出现流动分离。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述风能设备(100)在具有降低的额定功率的功率降低的运行中运行。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，改变所述运行管理的步骤包括提高转速(N)。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，将改变所述运行管理的步骤实施为调控策略。

13.一种风能设备(100)，具有能够以转速运行的空气动力学的转子(106)，

其中，所述空气动力学的转子(106)具有至少一个具有纵轴线的转子叶片(108)，所述转子叶片(108)包括：

-压力侧和与所述压力侧相对置的吸力侧，和

-桨距调节单元，所述桨距调节单元用于使所述转子叶片(108)围绕所述纵轴线转动运动以设定桨距角，

指示器单元，所述指示器单元提供指示器的在所述转子叶片的压力侧上开始发生流动分离的临界值，其中所述指示器包括所述桨距角，

控制设备，所述控制设备设立用于，控制所述风能设备(100)的运行点，使得所述指示器保持在所述指示器的、由所述指示器单元提供的临界值以下。

14.根据权利要求13所述的风能设备(100)，其中，所述控制设备适配于控制所述桨距角，使得所述指示器的临界值不被超过。

15.根据权利要求13或14所述的风能设备(100)，其中，所述指示器单元构成用于，根据所述转子的转速提供所述指示器的临界值，

其中所述控制设备适配于控制所述风能设备(100)的桨距角和/或转速，使得所述指示器的临界值不被超过。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的风能设备(100)，所述风能设备还具有：

下调单元，所述下调单元用于在具有降低的额定功率的功率降低的运行中运行所述风能设备，

其中所述控制设备适配于在功率降低的运行中提高所述转速，使得所述指示器保持在所述指示器的、由所述指示器单元提供的临界值以下。

17.一种风电场，具有至少一个根据权利要求13至16中任一项所述的风能设备(100)。

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