CN113423949A - 用于运行风能设备的方法、风能设备和计算机程序产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于运行风能设备(1)的方法和被构造成用于执行该方法的风能设备(1)以及相应的计算机程序产品。风能设备包括转子(3)，转子具有能经由设备控制部(20)进行角度调节的转子叶片(5)，其中，获取反映出转子(3)的瞬时推力的状态量，用于运行该风能设备(1)的方法包括以下步骤：a)获知状态量的短时平均值(功能环节201)；b)获知状态量的短时平均值与获取到的瞬时的状态量之间的差(功能环节202)；c)根据所获知的差获知第一目标叶片角度修正值(功能环节203)；并且d)在进行叶片角度调节时通过设备控制部(20)考虑目标叶片角度修正值。

Description

用于运行风能设备的方法、风能设备和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及用于运行风能设备的方法和被构造成用于执行该方法的风能设备以及相应的计算机程序产品。
背景技术
在已知的风能设备中，通过风使能绕基本上是水平的轴线转动的转子旋转，该转子具有为了调整叶片角度而以能转动的方式布置在转子上的转子叶片。转子在(必要时经由转子轴和/或传动装置)与用于将转子的旋转能转换为电能的发电机连接。从转子直到发电机的以功率传输的方式进行转动的部件统称为传动系，并且通常布置在以能转动的方式装配在塔架上的机舱中。
在风能设备的运行中，由于风作用到转子上，使得除了让转子做期望的旋转之外，还出现了推动力，该推动力必须完全被风能设备的塔架吸收。由于在转子与风相互作用时经常出现的湍流，使得要被吸收的推动力发生动态波动，这对塔架将造成了不可忽视的负载。在迄今所公知的用于运行风能设备的方法中，为了让在维持传动系的部件的运行极限的同时得到最佳的能量收益的目的，有时会出现非常高的推力负载。塔架必须针对这些高推力负载进行设计，以此在其出现高推力负载时，不会对塔架造成直接损害，或者也不会让塔架的使用寿命不期望的降低。但是，针对相应高的推力负载所设计的塔架通常成本高昂。
在EP 2 604 853 A1中公开了一种用于运行风能设备的方法，其中，尤其获知推动力目标值，该推动力目标值在对设备进行控制时在针对推力的允许最大值的意义下被考虑。由此应当防止风能设备受到过大的推动力负载。还描述了风能设备的推动力与尾流湍流之间的关系，其中，风能设备的推力的降低能够改善流向布置在尾流中的第二涡轮机的流量。该现有技术不利的是，使用于获知推动力目标值所需的计算基于部分情况下测量的运行参数的绝对值，从而从根本上容易产生测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供用于运行风能设备的方法和相应构造的控制装置，其中，不再出现或仅以减小的程度出现现有技术的缺点。
该任务通过根据独立权利要求1的方法以及根据并列的权利要求的风能设备和计算机程序产品来解决。有利的改进方案是从属权利要求的主题。
因此，本发明涉及用于运行风能设备的方法，该风能设备包括转子，转子具有能经由设备控制部来进行角度调节的转子叶片，在其中，获取反映出转子瞬时的推力的状态量，该方法具有以下步骤：
a)获知状态量的短时平均值；
b)获知状态量的短时平均值与获取到的瞬时的状态量之间的差；
c)根据所获知的差获知第一目标叶片角度修正值；并且
d)在进行叶片角度调节时通过设备控制部考虑该目标叶片角度修正值。
此外，本发明还涉及风能设备，风能设备包括转子，该转子具有多个能就叶片角度方面进行调整的转子叶片，转子以能转动的方式布置在以能转动的方式布置在塔架上的机舱上，并经由传动系与布置在机舱中的用于将作用到转子上的风能转换成电能的发电机连接，以及该风能设备包括用于控制风能设备及其部件的设备控制部，其中，设备控制部被构造成用于执行根据本发明的方法中的一项。
本发明还涉及包括程序部的计算机程序产品，当将该程序部分加载到计算机中，优选是风能设备的设备控制部中时，该程序部分被设计成用于执行根据本发明的方法。
首先，阐述结合本发明使用的一些术语。
“状态量”是能被测量或能根据测量值所获知的变量，其反映出处于运行中的风能设备的瞬时的状态。状态量尤其可以是测量值或根据测量值计算出的值，该值由风能设备的设备控制部获取到并被考虑用于对风能设备的最终控制。但是也可行的是，与本方法分开地获知状态量。
当状态量的变化能够以接近肯定的概率被推断为推力的变化时，则瞬时的状态量被视为“反映出转子的瞬时的推力”。状态量和转子的推力都是“瞬时的”这一事实表示，状态量的变化可以被推断为转子推力同时发生变化；尤其地，其中所涉及的变化仅在转子的推力发生变化之后的某个时间才发生的状态量的变化不属于该范围。因此既不需要可以直接根据状态量将转子的推力为绝对值来计算，也不需要在状态量的变化与转子推力的变化之间存在直接的比例关系。当基于状态量的变化能明确转子的推力是提高还是减小并且可以假设转子的变化的数量级时，就已经足够了。
“短时平均值”是变量的可变的已经过去的、同时的时间段内计算出的平均值，该变量原则上从于该变量的最后获知的值出发持续地或以短间隔重复地来获知。因此，短时平均值始终经由所涉及的变量的(在预定的时间段内)最后所获知的值来获知。在此，优选计算所涉及的值的算术平均值。
“目标叶片角度修正值”是在定期获知之后将由合适的子控制部来实现的叶片角度目标值时或者在对叶片角度调节进行驱控时被风能设备的设备控制部直接考虑的值。例如，目标叶片角度修正值可以是叶片角度-Delta，其被添加给以已知的方式通过设备控制部所获知的叶片角目标值。
本发明已经认识到，通过将原则上允许得出关于转子的瞬时的推力的结论的状态值和其短时平均值进行比较，可以以简单方式获知目标叶片角度修正值，通过设备控制部来考虑该目标叶片角度修正值导致转子的推力进而是塔架所受推力负载降低。由于短时平均值和上述差可以非常容易地获知，并且在假设可以基于所获知的差同样容易地获知目标叶片角度修正值的情况下，因此可以非常快地获知在状态量变化时的目标叶片角度修正值并且被设备控制部所考虑。例如，在最简单的情况下，所获知的状态量与其短时平均值之差仅乘以增强因子，以便获得所期望的目标叶片角度修正值。由于在根据本发明的方法中仅所述差是重要的，而状态值的绝对值并不重要，使得根据本发明的方法对于在获取对于状态值是必要的测量值时可能出现的漂移具有极强的稳固性。
优选的是，与步骤a)至c)同时进行地，根据状态量的梯度(即相对于时间的偏导数)获知第二目标叶片角度修正值，并与第一目标叶片角度修正值相关联。通过相应的第二目标叶片角度修正值可以直接获取到状态量的快速变化并相应地通过设备控制部加以考虑，这些快速变化基于获知短时平均值在第一目标叶片角度修正值中无法反映出或仅以很小的延迟反映出。优选的是，所获知的状态量的梯度首先被平滑并且/或者随后与增强因子相乘以形成目标叶片角度修正值。
这两个目标叶片角度修正值的关联可以通过加法或(必要时经加权的)求平均值来实现，从而只有单个目标叶片角度修正值必须传递给设备控制部中并且被该设备控制部所考虑。
所获取的状态量可以是与推力直接相关的测量变量，例如转子叶片负载或作用在转子轴、传动装置或传动装置悬架上的轴向负载，这是因为这些负载在时间上与转子推力直接相关。诸如机舱或塔架加速度或塔架弯曲度的测量变量不适用，这是因为它们很大程度受塔架固有频率影响并且因此被歪曲。风速也是不太合适，这是因为它只能够点状地作为瞬时值来测量，并且因此不能代表整个转子。
所获取的状态量优选可以是至少一个转子叶片的瞬时的转子叶片负载，其优选以优选在转子叶片根部所受的叶片弯矩的形式来获取。如果获取到转子的一个以上的转子叶片、优选是所有转子叶片的独特的转子叶片负载，则可以将这些独特的转子叶片负载加和或取平均以形成单个的转子叶片负载。
替选可能的是，所获取的状态量是瞬时的转子转矩。瞬时的转子转矩例如可以根据瞬时转速和风能设备的瞬时功率来获知。优选地，在此还考虑了转子沿转动方向的以及与之转动连接的传动系的部件的加速过程。
在优选的实施方式中，除了转子转矩之外，转子叶片的转子转速和转子叶片调整角度也被获取作为状态量。然后由获取到的转子转矩、转子转速和转子叶片角度的状态量形成用于执行根据本发明的方法的状态量。
优选的是，在3s至20s、优选在8s至15s的变动(mitwandernden)的时间段内获知短时平均值。已经表明，在相应地所选择的针对短时平均值的时间段中，一方面，完全“调节消除”了可能的阵风，但并不以牺牲风能设备的能量输入收益为代价，由此，通过阵风附加地引入的能量不会导致所产生的功率暂时提高，但另一方面会有效地降低尤其是在塔架中和在叶片中的负载峰值。这些求平均时间尤其取决于驻地特定的平均阵风频率，并且应针对驻地特定地进行优化。
优选地，在获知短时平均值之前对所获取的状态量进行滤波，其中，于是在求差时，所获取的瞬时的状态量也是被如此滤波的状态量。通过相应的滤波例如可以有效地消除在基于测量值获知状态量时可能的噪声或其他高频干扰，由此使得根据本发明的方法对这种干扰更加稳固。
由于滤波而导致的瞬时的状态量的最大时间上的延迟优选小于由于在0.5秒、特别是在0.3秒内求平均而导致的延迟。只有通过状态量的如此没有延迟的瞬时值才确保根据本发明的方法的作用。
优选的是，对第一目标叶片修正值的获知包括将所获知的差乘以增强因子。此外优选的是，对第一目标叶片角度修正值的获知仅由所获知的差乘以增强因子构成。
参考以上实施方案用来阐述根据本发明的风能设备和根据本发明的计算机程序产品。
附图说明
现在结合优选的实施方式参考附图示例性地描述本发明。其中：
图1：示出被构造成用于执行根据本发明的方法的根据本发明的风能设备的机舱的示意图；并且
图2：示出根据本发明的方法的可能的第一执行方案的原理图；并且
图3：示出根据本发明的方法的可能的第二执行方案的原理图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了根据本发明的并且因此被构造成用于执行根据本发明的方法的风能设备1的机舱2。风能设备1包括转子3，该转子具有总共三个转子叶片5，转子叶片经由叶片角度调节机构5‘以能转动的方式紧固在转子毂4上。转子3能转动地布置在机舱2上，机舱又经由方位驱动器14以能绕竖直的轴线转动的方式布置在塔架6上。
转子毂4经由具有位于中间的传动装置8的转子轴7与用于将作用到转子3上的风能转换为电能的发电机9连接。从转子3到发电机9的传输功率的部件(即尤其是转子轴7和传动装置8)形成传动系10。
在所示的实施例中，发电机9是双馈异步发电机，其中一部分所产生的功率直接馈入到公共的电网中，另一部分功率经由换流器11和切换元件12到达位于塔架6的底部的变压器(未示出)并从那里馈入到入公共的电网中。
在传动装置7与发电机9之间还设有制动器13，利用该制动器可以制动传动系10的转动运动，并且如果需要的话可以锁定转子3。另外，设置有测量传感器14，以用于获知转子转速或传动装置8与发电机9之间的轴7的转速。在转子叶片5上，在与转子毂4接驳的区域中设置有用于获知转子叶片弯矩的测量传感器15。
风能设备1及其所有部件通过基于计算机的设备控制部20来控制。为此，风能设备1中所获取到的所有测量值以及经由数据线路21(例如来自网络运营商)的目标值将被输送给设备控制部20，并借助保存在存储器22中的对于本领域技术人员原则上所公知的控制算法转化成控制信号，然后将这些控制信号再次发送给风能设备1的不同的部件。设备控制部20在第一部分中基于现有的信号获知针对风能设备1的运行的各个能由其调节的参数的目标值，然后由设备控制部20的其他部分以使相应的实际值与目标值相应的方式来实现目标值。
根据本发明，设备控制部20被构造成用于执行在下面将详细描述的根据本发明的方法，为此目的，将为此而构成的计算机程序产品保存在存储器22中并由设备控制部20实施。
图2中示出了根据本发明的方法在设备控制部20中的第一实现方案的原理图。在此，该图示被限于设备控制部20的对于执行该方法必不可少的部分。
在功能块100中获知反映出转子3的瞬时的推力的状态量。为此，将由测量传感器15在各个转子叶片5上获取到的转子叶片弯矩M叶片1…3在功能环节101中加和。在此，原则上可以取消对测量值的为了让这些测量值提供转子叶片弯矩的实际绝对值所进行的校准。对于根据本发明的方法而言绝对值是无关紧要的，而重要的是状态量的相对变化。根据转子叶片弯矩所获知的状态量被输送给滤波器102，以便滤除来自测量传感器15的高频干扰和噪声。
随后，将如此获知的状态量同时输送给功能块200和300。
在功能块200中，通过功能环节201获知所输送的状态量的短时平均值，其中，用于形成该短时平均值的时间段为10至12s。
在环节202中，获知功能环节201所获知的短时平均值与由功能块100所提供的瞬时状态量之间的差。
在功能环节203中，将如此获知的差乘以增强因子，然后从中得出第一目标叶片角度修正值。
与功能块200同时进行地，在功能块300中通过功能环节301获知状态量的梯度，随后通过功能环节302进行平滑，然后最终在功能环节303中与增强因子相乘，然后从中得出第二个目标叶片角度修正值。
来自功能块200的第一目标叶片角度修正值和来自功能块300的第二目标叶片角度修正值在环节400中相加，并且随后被发送至设备控制部20以在进行叶片角度控制中加以考虑。尤其地，当设备控制部20获知了于是由设备控制部20的为此所设置的一部分来实现的叶片角度目标值时，则例如可以考虑将根据本发明获知的目标叶片角度修正值简单地与叶片角度目标值相加。
图3中示出了根据本发明的方法在设备控制部20中的第二实现方案的原理图。除了所使用的状态量之外，其他都与图2中的相应，因此参考那里的陈述。
在图1的实现方案中，通过功能块100‘获知转子转矩，即从转子传递到传动系上的瞬时转矩作为状态量。该转子转矩由功能环节101‘基于由测量传感器14测得的转速ω以及最终由发电机产生的电功率P计算出来，并且随后通过环节102‘进行滤波，然后才提供给功能块200和300。
功能块200和300与图2中的功能块相同地构建。为了能够获知有效的目标叶片角度修正值，只需将功能环节203和303中的增强因子必要时与更改的状态量相匹配。
从上面的描述可以直接得知，对于获知目标叶片角度修正值来说在任意时间点都不需要获知状态量的绝对值，而只有随时间的相对变化是重要的。由此，使得根据本发明的方法例如对于由测量值传感器获知的值发生的缓慢漂移是极为稳固的。

Claims (9)

1.用于运行风能设备(1)的方法，所述风能设备包括转子(3)，所述转子具有能经由设备控制部(20)进行角度调节的转子叶片(5)，在其中，获取反映出所述转子(3)的瞬时的推力的状态量，所述方法具有以下步骤：
a)获知所述状态量的短时平均值(功能环节201)；
b)获知所述状态量的短时平均值与获取到的瞬时的状态量之间的差(功能环节201)；
c)根据所获知的差获知第一目标叶片角度修正值(功能环节203)；并且
d)在进行叶片角度调节时通过所述设备控制部(20)考虑所述目标叶片角度修正值。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
与所述步骤a)至c)并行地第二目标叶片角度修正值根据所述状态量的梯度获知(功能块300)并与所述第一目标叶片角度修正值相关联(功能环节400)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所获取的状态量是瞬时的转子叶片负载，所述瞬时的转子叶片负载优选以叶片弯矩的形式优选在转子叶片根部来获取。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所获取的状态量是瞬时的转子转矩。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
所述短时平均值在3s至20s、优选在8s至15s的变动的时间段内获取。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
在获知瞬时短时平均值之前，对所获取的状态量进行滤波(功能环节102、102‘)，并且在求差时(功能环节202)，所获取的瞬时的状态量是经滤波的状态量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
获知所述第一目标叶片角度修正值(功能环节203)包括将所获知的差值乘以增强因子。
8.风能设备(1)，所述风能设备包括转子(3)，所述转子具有多个能就叶片角度方面进行调整的转子叶片(5)，所述转子叶片以能转动的方式布置在以能转动的方式布置在塔架(6)上的机舱(2)上，并经由传动系(10)与布置在所述机舱(2)中的用于将作用到所述转子(3)上的风能转换为电能的发电机(9)连接，并且所述风能设备还包括用于控制所述风能设备(1)及其部件的设备控制部(20)，
其特征在于，
所述设备控制部(20)被构造成用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
9.包括程序部分的计算机程序产品，当将所述程序部分加载到计算机中、优选加载到风能设备(1)的设备控制部(20)中时，所述程序部分被设计成用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法。
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