CN114439700A - 用于运行风能设备的方法、风能设备和风电场 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行风能设备的方法、一种相关的风能设备和一种风电场。所述方法包括以下步骤：确定所述风能设备的环境的环境参数中的至少两个、优选至少三个并且尤其优选所有环境参数，所述环境参数选自：湍流强度、空气密度、空气温度和切变，提供用于运行所述风能设备的边界条件，所述边界条件包含出自负荷边界条件、噪声水平边界条件和功率边界条件中的至少一个，在考虑所述边界条件的情况下，基于特定的环境参数的变化的组合，调整所述风能设备的运行控制，尤其运行点和/或运行特征曲线。

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、一种相关的风能设备和一种风电场。
背景技术
已知在风能设备中通过驻地特定的参数来执行收益计算。然而，在这种情况下已经证实，后续确定的收益因实际的驻地条件而异。
发明内容
在此背景下，本公开内容的目的是通过运行控制抵挡由于驻地条件造成的可能的功率损失并且根据驻地改进风能设备的个体的运行控制。在具有极端的环境或风力条件的驻地处对运行控制的调整必须同时确保遵循负荷和噪声输出水平，以便即使对于更复杂的驻地也能实现最优的设定。
以下术语和常用缩写是下述描述的前提。
AEP：Annual Energy Production；年发电量
αmin/最小叶片角：对应于如下叶片角，即转子叶片的设定角，通过所述叶片角，风能设备至少在部分负荷范围中运行。例如可以因负荷、功率和/或噪声要求而提高叶片角。
运行特征曲线：转子的转速n与所产生的电功率Pel之间的关系，风能设备在运行中调节到所述关系上。
运行点：运行特征曲线的离散点和转子叶片的所定义的桨距角，所述桨距角在一定风速中达到。
Cp：风能设备的功率系数，其指示风能设备相对于现有的风功率能够获得多少功率。
Ct：风能设备的推力系数，其指示风能设备相对于闭合的圆面产生多少推力(垂直离开转子平面的力)。
λ/TSR：Tip-speed-ratio/叶尖速比。在这种情况是转子叶片在转子叶片尖端处的速度与风速的比值。
负荷储备：瞬时负荷或驻地负荷条件与设计负荷情况的差。
功率储备：电功率与可能的电功率的差。
噪声水平储备：所产生的噪声水平与所允许的噪声水平的差。
Mx：枢转方向上的叶片力矩
My：在挥舞方向上的叶片力矩
IPC：Individual Pitch Control，独立变桨控制，各个转子叶片的设定角能够彼此无关地——以补充为集体的控制的方式——被控制。
在本公开的一个方面中，提出一种用于运行风能设备的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-确定风能设备的环境的至少两个、优选至少三个并且特别优选所有的环境参数，所述环境参数选自：湍流强度、空气密度、空气温度、切变和降水，
-提供用于运行风能设备的边界条件，所述边界条件包含负荷边界条件、噪声水平边界条件和功率边界条件中的至少一个，
-在考虑所述边界条件的情况下，基于特定的环境参数的变化的组合来调整风能设备的运行控制，尤其运行点和/或运行特征曲线。
环境参数能够事先确定，即在投入运行之前或甚至在设立风能设备之前确定。优选地，替选地或者附加地在风能设备的运行期间确定环境参数。为了确定环境参数，优选在风能设备上或在风能设备的周围环境中提供适合的传感器。用于确定环境参数的传感器的类型和设计方案不受限制，只要其适合于确定环境参数即湍流强度、空气密度、空气温度、切变和降水中的一个或多个即可。
负荷边界条件例如能够是根据设计情况所允许的负荷。噪声水平边界条件例如能够包括所允许的噪声水平。功率边界条件例如能够包括可能的电功率和/或最大的电网侧的功率，其中其他指示功率的其他边界条件如转矩极限等也是可设想的。
特别优选地，附加地提供基于风速的环境参数。该环境参数例如能够直接是风速、风向，但尤其是与对负荷的观察相关的平均年风速或者风速和/或风向的分布。
作为运行特征曲线，优选使用在风能设备的领域中常用的转速-功率特征曲线，其对于转子的不同速度n指示待调节的功率(更确切地说：指示功率的值)，如电功率Pel或待由转子提供的气隙功率或者发电机上的转矩。就本公开而言，其他特征曲线也能够理解为运行特征曲线，因此例如可考虑被称为桨距特征曲线的特征曲线，其指示转子叶片对于一定风速和/或电功率和/或气隙功率的桨距角。也可考虑其他特征曲线作为运行特征曲线。
根据所述方面，据此通过个体地调整运行特征曲线或运行点(例如桨距设定)来提高最大可能功率能够有助于增加年发电量。尤其地，能够耗尽诸如负荷边界条件和噪声水平边界条件的边界条件，以便通过个体地调整运行特征曲线和桨距设定使用相对于设计运行负荷的储备来优化年发电量。
优选地，运行点的调整包括以下步骤：
-提供风能设备的当前的运行点，
-基于特定的环境参数中的各一个环境参数的变化和当前的运行点确定风能设备的运行控制的各一次调整，
-在考虑边界条件的情况下基于特定的调整的组合来调整风能设备的运行控制。
也就是说，根据该实施方案，基于环境参数之一的个体变化来确定运行控制的个体调整。这些调整能够——根据情况——其相互加强地作用或者相互矛盾。于是仅在组合了特定的个体调整之后才进行调整，其中还考虑边界条件。由此，即使存在多个变化的环境参数，也能够最优地调整运行控制。
例如能够从可行的调整的列表中选择针对特定的环境参数中的各一个环境参数的变化的调整。优选地，通过考虑环境参数的所有变化来从可行的调整的列表中进行选择。换言之，在此能够针对每个环境参数从可行的调整的列表中选择一个或多个调整候选，并且在考虑到所有特定的环境参数的情况下从一个或多个所选择的调整候选中选择最终调整。因此，在这种情况下，对于环境参数的组合而言可以最优地选择适合的措施或调整，而无需不必要地限制于已经针对个体的环境参数所确定的调整。
优选地，在风能设备的运行期间，环境参数重复地、尤其周期性地并且特别优选连续地确定。
一个或多个环境参数的确定例如借助于测量进行。替选地或附加地，计算和/或估计环境参数。
特别优选地，据此于是重复地，尤其周期性地或连续地调整运行控制。
优选地，如果对负荷边界条件、噪声水平边界条件和功率边界条件的考虑指示至少一个负荷储备，噪声水平储备或功率储备，那么对运行点和/或运行特征曲线的调整包括以下措施中的至少一种：
-调整，尤其降低最小叶片角，并且调整，尤其降低叶尖速比，以便减少运行点距具有最优功率系数的运行点的距离，
-将用于控制转子叶片的桨距角的特征曲线针对运行范围的至少一部分朝向更高的桨距角移动或改变，所述特征曲线称为桨距特征曲线，
-增加风能设备的转子转速，
-提高风能设备的额定功率。
优选地，调整包括上述措施中的至少两个，特别优选地，调整包括上述措施中的至少三个并且尤其包括所有上述措施。
优选地，环境参数的确定包括确定空气密度，其中空气密度的降低导致负荷储备和噪声水平储备的提高，并且因此为了调整运行控制，通过利用噪声水平储备调整尤其提高转子转速以补偿叶尖速比的变化，和/或通过利用负荷储备调整运行特征曲线和/或桨距特征曲线。
通过这种调整，能够至少部分地补偿由于较低的密度或与其相关联的较低的空气质量流引起的功率降低。根据风能设备，转速-功率特征曲线的变化，完全地或者仅在部分负荷范围内，即低于额定功率或全功率的范围，无论是否调整桨距控制都能够是最优的。这尤其与风能设备的负荷预算以及其他环境参数，例如湍流强度相关。
优选地，切变的环境参数的确定包括确定切变系数，其中切变系数表示在风能设备的转子的转子平面上风速的竖直方向的变化，切变系数的减小对应于具有相对较低的交变负荷的更均匀的迎流，切变系数与预定的切变阈值进行比较，预定的切变阈值对应于在功率收益最小的情况下的切变系数，并且根据切变系数的变化和切变系数与预定的切变阈值的比较进行运行点的调整。
例如，为了确定切变阈值，在至少两个不同高度z中测量风速，并且根据对数定律和/或潜在法规例如根据IEC61400-1，从差中导出或拟合切变系数α：
Figure BDA0003337352930000051
也可设想用于确定切变阈值的替选的可能性，例如基于声学测量，尤其根据IEC61400-11。
例如，能够将α＝0.5确定为上限或作为年平均值，其中在较短的时间内也可有较高的值。也可行的是，多个切变阈值对于短期的/中期的和/或长期的平滑是可行的，这实现与实际存在的切变特别精确的配合。在其他情况下，具有负切变系数α的驻地也是可行的。
不同的切变系数例如能够根据要求每天/每周/每月确定，而不限于此。
优选地，在0.15和0.2之间的值用作为设计切变系数，所述值已证实适合于典型的德国沿海驻地。优选地，使用如下值作为设计切变系数，在所述值中年发电量达到最小值。换言之，于是在这两种情况下在切变偏离于设计切变系数时都能够实现收益增加，只要其他的边界条件实现风能设备的相应控制。
优选地，切变系数预先地，即在风能设备设立之前，借助于测量桅杆求取，所述测量桅杆在风能设备的驻地处执行风测量。为此，优选地，风速至少在两个高度中，特别优选在多于两个的高度中确定。不同的确定，例如在运行中，也是可行的。
优选地，功率降低范围被定义为切变系数的如下值域，在所述值域内在转子盘的下半部中降低的速度无法通过在转子盘的上半部中的提高的速度来补偿和从而进行功率降低，其中功率降低范围的下端处的切变系数定义为设计切变系数，并且其中对运行点的调整根据切变系数的变化和切变系数与设计切变系数的比较来进行。
与上述优选的设计方案不同，在此并非将功率最小值而是将设计切变系数用作为对运行点的根据本发明的调整的评估。在这种情况下，设计切变系数被定义为位于功率降低范围的下端处。
优选地，在切变系数的减小发生在设计切变系数以下的范围中的情况下，调整运行点，使得用于提高年发电量的附加的负荷和/或迎角储备引起转速提高和/或更激进的桨距变化，尤其在个体地设定(IPC)各个转子叶片时。
在此，桨距变化的术语和桨距特征曲线的术语同义地使用。
优选地，在切变系数的提高发生在设计切变系数以上但位于功率降低范围内的范围中的情况下，调整运行点，使得为了遵循必要的负荷和/或迎角储备进行以下调整中的至少一个：
a)个体地设定各个转子叶片以减少尤其在转子盘的上半部中的负荷，
b)在上部的部分负荷范围中更早地变桨以减少负荷，和
c)降低转速以遵循负荷限制。
优选地，在切变系数的提高在设计切变系数以上并且在功率降低范围之外的范围中的情况下，调整运行点，使得为了遵循必要的负荷和/或迎角储备进行以下调整中的至少一个：
a)在无年发电量损失的情况下个体地设定各个转子叶片，
b)在上部的部分负荷范围内更早地变桨，和
c)降低转速以减少负荷。
因此，涉及切变系数的不同优选的设计方案对于环境参数的所有可能的变化实现具体的反应，以便实现对风能设备的优化的控制。
优选地，环境参数的确定包括确定湍流强度，其中湍流强度的降低引起迎角储备的增加和负荷储备的增加，并且其中在确定湍流强度降低时，调整运行控制包括：
a)在部分负荷范围中降低叶尖速比和/或最小叶片角以提高功率，和
b)桨距特征曲线在上部的部分负荷范围中朝向更高的功率移动，以便补偿已经出现的负荷和迎角储备，或者
c)除了a)之外并且替选于b)，在考虑噪声水平边界条件的情况下，提高风能设备的转子转速。
在该实施方案中据此实现：风能设备的控制对湍流强度的变化做出最优反应。
优选地，环境参数的确定包括确定温度和空气密度，其中在密度保持不变时温度的降低导致风能设备的电线路中的热储备，其中在确定热储备时对运行控制的调整包括提高功率，要么作为暂时的功率提高要么作为持久的额定功率提高，其中功率的提高根据噪声水平边界条件包括，
a)在存在噪声水平储备时提高转子的转速，和/或
b)在不存在噪声水平储备时提高转矩。
在该实施方案中据此公开了如何在空气密度相同的情况下针对变化的温度进行风能设备的最优控制。
优选地，对环境参数的确定包括确定切变和湍流强度，其中计算切变和湍流强度对负荷储备和迎角储备的影响，并且根据负荷储备和迎角储备调整运行控制包括以下措施中的至少一个：
a)调整桨距特征曲线，尤其在部分负荷范围中在存在负荷储备和迎角储备的情况下，减小最小叶片角和/或叶尖速比；和
b)短暂地提高额定功率以便平衡阵风。
在该实施方案中据此公开了如何针对参数即切变和湍流强度的组合进行风能设备的最优控制。
在一个实施方案中，最小叶片角是对于所有叶片被确定为相同的值并且在整个转子旋转上恒定的叶片角。在一个优选的实施方案中，为每个转子叶片个体地确定最小叶片角。替选地或附加地，在一个特别优选的实施方案中，最小叶片角根据叶片的角位置来确定。因此，例如能够确定在转子一转的周期内关于特定的叶片角的正弦的或其他类型的波动。
优选地，对环境参数的确定包括确定空气密度和湍流强度，其中在空气密度和湍流强度都提高的情况下跟随着更高的年发电量、更高的负荷和更高的噪声输出水平，其中在这种情况下对运行控制的调整包括以下措施中的至少一个：
a)在考虑由于空气密度提高而降低的迎角和由于湍流强度增加而提高的迎角的情况下改变桨距特征曲线；
b)降低转速以降低负荷和噪声输出水平；以及
c)通过增加叶尖速比和/或最小叶片角来增加在部分负荷范围中的迎角储备，
优选地，在空气密度和湍流强度降低的情况下，措施a)、b)和c)中的至少一个、至少两个并且特别优选所有措施颠倒地用于调整运行控制。
在该实施方案和下面描述的两个实施方案中，据此描述了对于环境参数即密度和湍流强度的所有可能的组合的控制。
优选地，对环境参数的确定包括确定空气密度和湍流强度，其中在空气密度增加而湍流强度减小的情况下进行对负荷和噪声的作用的补偿，其中在这种情况下对运行控制的调整由于增加的迎角极限包括以下措施中的至少一个：
a)改变桨距特征曲线以增加年发电量；
b)降低转速以补偿提高的负荷，尤其是负荷平均值。
优选地，环境参数的确定包括确定空气密度和湍流强度，其中在空气密度降低和湍流强度增加的情况下，补偿对负荷和噪声的作用，其中在这种情况下对运行控制的调整为了补偿降低的迎角极限包括以下措施中的至少一个：
a)通过较早变桨来改变桨距特征曲线；
b)提高转速。
在一个实施方案中，环境参数的确定包括确定空气密度和温度，其中在温度下降和空气密度增加的情况下，尤其根据噪声水平边界条件，对运行控制的调整包括以下措施中的至少一个：
a)提高额定功率，同时降低转速以遵循噪声水平边界条件，在非关键的噪声水平边界条件中，仅降低直到遵循负荷边界条件；
b)可选地，提高桨距直到遵循负荷边界条件。
因此，在该实施方案中，针对空气密度和温度的组合的变化优化控制。在这种情况下，出自低温的热储备、较低的负荷储备和出自较高密度的较低的噪声储备能够彼此组合。
在另一方面中提出一种具有控制装置的风能设备，其中控制装置设立用于按照根据本公开的方法来控制风能设备。
风能设备实现与结合根据本公开的方法所描述的优点相同的优点。特别是，风能设备的控制装置能够设计用于执行描述为优选的实施方案中的一个、多个或所有并且能够实现与其相关联的优化的控制。
此外，根据本公开提出具有多个风能设备的风电场。
风电场也实现与结合根据本公开的方法所描述的优点相同的优点。特别是，风电场的多个风能设备的控制能够设计用于执行描述为优选的实施方案中的一个、多个或所有并且能够实现与其相关联的优化的控制。
附图说明
下面参考附图详细描述其他优点和优选的设计方案。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风电场；
图3示意性地并且示例性地示出针对不同的运行控制的噪声输出水平、负荷级和功率的关系；
图4示意性地并且示例性地示出年发电量和切变系数的关系；
图5示意性地并且示例性地示出针对不同的运行控制的噪声输出水平、负荷水平和功率的关系；以及
图6示意性地并且示例性地示出针对不同的运行控制的噪声输出水平、负荷水平和功率的关系。
具体实施方式
图1示出风能设备100的示意图。风能设备100具有塔102和塔102上的吊舱104。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学的转子106。在风能设备运行时，空气动力学的转子106通过风被置于旋转运动并从而也使发电机的直接或间接与空气动力学的转子106耦联的电动力学的转子或旋转体旋转。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的转子叶片根部109上的变桨马达改变。
风能设备100在此具有电发电机101，所述电发电标示机在吊舱104中。借助于发电机101能够产生电功率。为了馈入电功率，设有馈电单元105，所述馈电单元特别是能够构成为逆变器。由此能够根据幅度、频率和相位产生三相的馈电电流和/或三相的馈电电压，以在电网连接点PCC处馈入。这能够直接地进行或者能够与风电场中的其他风能设备共同地进行。为了控制风能设备100还有馈电单元105，设置设备控制装置103。设备控制装置103还能够从外部，尤其从中央的场计算机处获得预设值。
图2示出具有示例性三个可以相同或不同的风能设备100的风电场112。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分别所产生的电流或功率相加，并且通常设有变压器116，所述变压器对场中的电压进行升压变换，以便然后在一般也称为PCC的馈电点118处将其馈入供电网120中。图2仅是风电场112的简化视图。例如，场电网114能够不同地设计，例如通过在每个风能设备100的输出端处也存在变压器的方式，这仅是另一实施例。
风电场112还具有中央的场计算机122，所述场计算机也能够同义地称为中央的场控制装置。该场计算机能够经由数据线路124或者无线地与风能设备100连接，以便经由此与风能设备交换数据并且尤其从风能设备100处获得测量值并且将控制值传输给风能设备100。
驻地的要求变得越来越复杂和个体化。因此，对个体的运行方式的呼声越来大，这实现从保证数据表中设定收益。但是，保证数据表通过标准化的理想值计算得出，所述理想值描绘风场和环境条件的统计平均值。
个体的运行方式提出，使运行方式适应于出自环境条件如风场、气候、叶片变形和设备位置的实际存在于驻地的参数。在所述设备处能够改变转速(变化曲线以及额定和期望转速)、桨距角和额定功率，以便实现最大的收益。在本公开中，提出对于设备收益而言如何针对变化的环境参数最优地设定或调整这些可设定的参数的途径。
在此，应遵循出自最大的噪声输出水平、最大负荷、调节器稳定性和发电机特征变量的边界条件。在此需注意的是，特定的行为方式非线性地增强。
例如，较低的湍流强度已经导致降低的噪声输出水平。由于气流在叶片处的分离倾向较低，所以在这种情况下附加地降低后缘噪声。因为在具有较少的湍流的驻地处负荷也减小，所以根据本公开能够将所获得的回旋余地投入到提高的最大转速中，所述提高的最大转速在同时遵循设计负荷和噪声保证的情况下引起更高的收益。
在叶片的较强的加固部中，由于在转速增加后提高的离心力，叶片的弹性变形减小。这减小了局部的迎角，因此桨距角同样能够减小，其中同时遵循迎角储备。
在第一步骤中，个体的运行控制能够设计为离散的运行特征曲线。该运行特征曲线针对驻地处的平均风况最优地设计。所述运行特征曲线在设备的整个使用寿命期间都有效。
在第二步骤中，将多维的参数空间引进到设备控制中。该设备的传感器装置在此不断地测量风场、环境条件、设备状态并且可选地也测量所限定的排放点处的噪声。
在设备控制装置103中实施的调节技术优选基于所记录的值独立地并且实时地求取由转速和叶片角设定构成的有效的参数组，以便实现最大的功率并且在此遵循可能的噪声水平。在此应遵循出自噪声输出水平、负荷、调节器器稳定性、部件固有频率的范围例如转速窗口和发电机特征变量的边界条件。
因此，如果存在较低的湍流强度、较低的密度、较低的切变或更强不对称的风分布(威布尔因子<2)，那么例如需要功率提高。这分别导致从风中更少地提取功率、更低的噪声输出水平、噪声的更低的传播、更低的交变负荷、更小的变形以及距相对于叶片处的分离的迎角储备提高的距离。据此，能够提高转速和/或通过更小的桨距来减小迎角储备。因此，能够实现尽可能大的收益。
在另一示例中，在存在或确定湍流强度提高、密度提高、切变提高或风分布强烈对称(威布尔因子>2)的情况下，负荷降低是可行的。于是分别引起更强地从风中提取功率、提高的噪声输出水平、噪声的更强的传播、提高的交变负荷、提高的变形负荷以及与距相对于叶片处的分离的迎角储备更小的距离。作为反应，通过更小的桨距表明转速的减小或迎角储备的增加。由此，保持所保证的收益，降低噪声输出水平并且减少用于遵循维护间隔和使用寿命计算的交变负荷。
也称为环境条件的驻地特定的参数能够如下细分。
风场在此由取平均的值和极值确定，所述取平均的值和极值针对出自如下的一个或多个，尤其所有
a)湍流强度
b)切变(Shear)
c)风速在高度上的转动(Veer)
d)风向(Yaw)
e)风频率，威布尔分布的形式
f)转子面的迎流角(Flow inclination)
气候能够从如下值中的一个或多个，尤其所有的值中确定：
a)密度
b)温度
c)湿度
d)降水频率。
设备位置描述了在风电场102中的位置，即相对于其他风能设备100的位置，以及在地区中的位置，即相对于地形特征(山、谷、森林)的位置。
设备的状态通过如下参数中的一个或多个，尤其所有参数描述：
a)叶片处的迎角
b)叶片处的瞬时负荷状态
c)加速度，以便绕开来自各个部件的危险的振动。
为了对变化的环境参数做出反应，可能的措施包括对运行点或运行控制进行的以下调整中的一个、多个或全部：
(1)通过降低最小叶片角αmin和降低叶尖速比λ使设备更靠近cp最佳值运行
(2)较迟地变桨，即在风速更高和/或功率更高时执行叶片角提高
(3)提高转子的转速
(4)提高额定功率。
在环境参数沿着相反方向改变时相应地显示运行点的相反的调整。
在此以及在本申请的整个上下文中，优选将所产生的电功率或用于风能设备的功率的另一量度理解为功率。例如，气隙功率或作为发电机的转矩同样适合作为指示功率的值。
接下来针对各个环境参数以及环境参数的组合评估变化的环境参数的确切的作用。
变化的密度对风能设备100的作用；背景信息
·借助于
Figure BDA0003337352930000121
计算电功率和从而与密度ρ呈线性关系。
·然而，较低的密度同时导致风能设备100对于相同的电功率P需要更多的风，这可能导致变化的λ(TSR，叶尖速比)。风能设备100虽然能够抵消这一点，但仅在部分负荷范围中，因为额定点中的转速或TSR的增加导致提高的噪声输出水平。
·如果TSR无法在额定功率之前的区域中调节，那么这导致风能设备100的空气动力学更差的Cp或运行点。
·然而，精确的AEP损失与型材系列、叶片设计和可能所使用的附件如涡流发生器、锯齿状突起和例如活门以及对桨距控制的附加干预相关，并且能够仅从风能设备100到风能设备100精确地编号。同样地，AEP损失不能与湍流强度和切变完全分开地考虑。
·如果密度降低到低于设计密度，那么首先会预期有收益损失，或者以后才达到额定功率，见上文。
·但是同时负荷和噪声也会降低，其中对于噪声已经存在已知的近似关系。
·由噪声的降低得到，原则上整个运行特征曲线能够与密度(密度的3次方根)按比例绘制，连同风能设备100的额定转速。
·同时，由密度的降低也得到，负荷降低，尤其对于叶片负荷(My)的平均值和设备推力或Ct系数。至少对于特定设备部件(例如塔、冲击力矩、方位角、桨距)，产生用于“更激进”运行控制的回旋余地。这例如能够通过调整运行特征曲线和/或桨距特征曲线来设计。在此例如能够是用于降低迎角储备的空间。
·更快地旋转：由于较低的密度，最大SPL仍保持为低于在设计密度中的SPL。一些部件的附加的负荷储备再次被用完。在这种情况下通常不涉及极端负荷。但是，某些负荷(例如冲击力矩)提高。附加地，叶片前缘的腐蚀可能是一个问题。然而，腐蚀同样与驻地有关(下雨频率)。在存在雨量传感器的情况下，在下雨时为了避免过度腐蚀能够弃用提高的期望转速。因此，由于较低密度而几乎不可避免地产生的AEP损失在尽可能相同的负荷和始终一致的噪声输出水平的情况下被最小化。
·通过更快的旋转(例如至少在部分负荷范围内)保持迎角储备。如果设备在标准设定下提供足够的迎角储备，那么该迎角储备能够通过略更激进的变桨控制来用完。然后负荷储备将通过变化的运行特征曲线和桨距特征曲线的组合用完。然而，这在此会导致极端负荷的提高，也可能导致冲击方向中的振动幅度的增加。
·根据设备，能够在调整/不调整桨距控制的情况下使转速-功率特征曲线的变化最优，根据风能设备100的负荷预算以及可能的其他驻地参数，例如湍流强度。
图3在三轴图表300中示意性地并且示例性地示出噪声输出水平310、负荷水平320和功率330的关系。负荷水平320基本上对应于所预期的使用寿命的倒数。
对于标准空气密度，即设计情况，预期有状态302。该状态在针对噪声输出水平310、负荷水平320的所允许的框架条件下提供最大功率330。在维持运行控制的情况下针对相对于标准空气密度降低的空气密度产生状态304。能够看出，在较低的噪声输出水平310和较低的负荷级320的情况下，也实现较低的功率330。
通过调整根据本公开的运行控制产生状态306。对于状态306，所述调整尤其包括更急剧的变桨，以减少迎角储备和略微提高转速。与设计状态302一样，状态306同样满足对噪声输出水平310的要求，并且相对于状态304中未改变的运行控制导致功率330的净益。
状态306总是在负荷的范围中提供储备，使得通过状态308实现功率330的另一净益，其方式为：继续根据本公开调整运行控制。对于状态308，相对于设计情况已经强烈提高转速，以便耗尽负荷储备。
不同的切变值对风能设备100的影响；背景信息
切变系数描述风速在转子圆盘的高度上如何改变。
图4示意性地并且示例性地示出年发电量AEP相对于竖直轴上的参考能量收益AEPref关于水平轴上的切变系数的值的变化曲线的图表400：
·低的切变系数表示在穿过风场的交变负荷相对低的情况下均匀的迎流。
·随着切变系数提高，在转子面上的迎流速度中的差异增加并从而穿过风场的交变负荷的幅度和沿着转子叶片的迎角增加。
·在切变系数的特定的值域内，下部的转子盘半部中的降低的速度无法通过上部的转子盘半部中的超速来补偿，这导致功率降低。→功率降低；在图4的示例中，这对应于切变系数的为0.15至0.38的区域420。
·在范围420的上方和下方，下部的转子盘半部中的降低的速度通过上部的转子半部中的超速过度补偿，这导致功率提高。这涉及具有<0.15的切变系数的区域410和具有>0.38的切变系数的区域430。
切变降低至/小于设计切变(例如0.15)并且AEP增加(图4中的区域420)
图5在类似于图3中的视图的三轴图表500中示意性地并且示例性地示出在切变下降时或者在切变低于设计切变时的噪声输出水平510、负荷水平520和功率530的关系。
·如果在驻地处迎流的切变与在设计情况中相比更低(第二最里面的情况，状态502)，那么风能设备100经历交变负荷中的较低的振幅和迎角中的较小的波动(最里面的情况，状态504)。
·噪声输出水平的变化仅间接地经由沿着叶片变化的迎角给定并且小得可忽略不计。
·通过更激进的变桨变化曲线，能够增加(2)负荷中所产生的储备和用于进一步提高AEP的迎角储备。(状态506)。
·如果所述驻地没有噪声限制，那么能够通过附加的转速提高来提高(3)所产生的负荷储备。(状态508)。
·在任何情况下都进行关于IPC的调节以最优地使用迎角储备。
切变增加至/大于设计切变(例如0.15)并且AEP降低(图4中的区域420)
·如果切变相对于设计点增加并且AEP同时降低，那么风能设备100经历在交变负荷和迎角中提高的振幅，所述振幅无法通过在上部的部分负荷范围中转速提高和稍后的变桨来补偿。通过迎角的锐角化，噪声输出水平最小程度地提高。
·为了能够进一步遵循迎角和负荷中的储备，经由IPC为每个叶片设定储备(AEP中性)或者在上部的部分负荷范围中更早地变桨(AEP降低)。
·作为降低负荷措施，同样能够降低转速(3逆反)。
切变增加至/大于设计切变(例如0.15)并且AEP增加(图4中的区域430)
·如果切变相对于设计点提高，那么所述设备还经历交变负荷和迎角中的提高的振幅。通过迎角的锐角化，噪声输出水平最小程度地提高。
·因为AEP增加，所以可以使用该自由空间来通过降低转速来遵循负荷极限。替选地，在上部的部分负荷范围中通过更早的变桨能够降低负荷并且遵循迎角极限(2逆反)。
·IPC同样适用于在叶片旋转期间设定迎角极限和降低负荷，尤其在上部的转子盘半部中。
变化的(此处较低的)湍流对风能设备100的影响；背景信息
图6在类似于图3中的视图的三轴图表600中示意性地并且示例性地示出在湍流降低时的噪声输出水平610、负荷水平620和功率630的关系。
·如果在驻地处湍流与针对设计情况(第二最内层状态602)相比更低，那么所述设备与所需要的相比具有更大的迎角储备和负荷储备，以及由于降低的入流噪声(InflowNoise)份额而具有附加的轻微的声学储备(最里面的状态604)。
·在迎角中所产生的储备能够用于在部分负荷范围中略微降低叶尖速比并且略微降低αmin，这引起改善的功率(1)。同时，迎角和负荷中的储备能够用于在高的部分负荷范围中较迟地变桨并从而同样提高功率(2)。在声学上，由于更大的迎角和更厚的边界层预期有略高的水平，所述水平应该大致补偿所产生的小的储备(状态606)。在声学上，状态606与设计情况相同。
·如果所获得的负荷储备要适合于允许轻微提高最大转速，那么除了(1)之外并且替代于(2)还能够执行转速的提高(3)(状态608)。与(2)相比，该措施引起更强的功率提高，但同时也导致噪声输出水平提高超出设计情况并从而仅适用于没有限制性的噪声条件的驻地。
变化的(在此较低的)温度(在密度保持不变时)对风能设备100的影响；背景信息
·首先在此假设：仅温度降低至低于设计温度，但密度保持为设计值(假设可能例如适用于在阿尔卑斯山前地带中在大地稍微升高的驻地)。如果驻地处温度低于设计温度，那么电线路中存在热储备。
·该热储备能够提高，其方式为：提高(4)额定功率(作为暂时的功率提高或者持久的额定功率提高)。
·根据是否存在噪声边界条件，能够不同地截获与此关联的负荷提高：如果驻地应是噪声严格的，那么转速必须保持不变并且仅保持增加转矩这一选项来达到更高的额定功率。这导致Mx中的提高的平均值。
·如果不存在限制性的噪声条件，也能够替选地保持转矩恒定并且稍微提高转速(3)。由此Mx平均值与设计情况保持相同。此外，在将桨距特征曲线的梯度保持至新的额定功率的情况下，My和推力的平均值保持不变。但是，转速提高会导致Mx、My和推力的负荷周期/集合的数量略有增加。
切变降低，湍流强度提高
·切变对收益的影响是非线性的，但是在整个功率范围内方向/趋势的影响是相同的。
·而湍流强度在部分负荷范围中引起更多收益，但在额定功率附近的范围中导致低收益。
·提高的切变和提高的湍流强度都会导致提高的交变负荷和提高的SPL，与此相关地，这两者也会导致更低的迎角储备。
·大多数时候，切变和湍流强度是关联的，例如在夜间(大气稳定地分层)低的湍流强度和高的切变，在白天(辐射/晴天，高热量)湍流强度高，但切变低。
·较高的湍流强度导致提高的负荷和额定功率前的较低的收益。此外，迎角储备降低。
○湍流强度导致提高的迎角，尤其在叶片内部区域直至叶片中部区域。
○低的切变能够“保护”叶片外部区域中的迎角储备并且抵消负荷提高。
·为了平衡额定功率前的提高的湍流强度，能够针对负荷和迎角储备“计算”湍流强度和切变的影响，其中迎角储备主要在叶片外部区域中是相关的。
·如果剩余有足够的储备，能够在额定功率(2)周围的区域中更激进地变桨和/或能够短时间提高额定功率以便平衡(4)阵风。
·在部分负荷范围内(低风速)，风能设备100通常受益于提高的湍流强度，不必为了提高功率而采取提高负荷的措施。在相应的储备中——在借助于桨距进行计算后——降低(1)αmin和/或叶尖速比是可行的(1)。
切变提高，湍流强度降低
·高的切变导致更低的迎角储备和提高的交变负荷。同时，低的湍流强度导致更低的负荷。迎角储备和负荷效果能够相互计算。
·低的湍流强度表示尤其在部分负荷范围中低的收益。
·同时，在部分负荷范围中仍应存在略多的迎角储备，如果仍存在优化潜力，那么考虑降低(1)最小桨距角并且降低叶尖速比。
·在额定功率前的范围中，低的湍流强度正面地起作用，如果仍存在负荷和迎角储备，那么该负荷和迎角储备由于低的阵风能够良好地通过更激进的变桨(2)来提高。
密度和湍流强度提高
·如果驻地处的密度和湍流强度升高，那么AEP、负荷和噪声输出水平提高。后者因提高的入流噪声引起。附加地，通过空气的噪声传输得到改善，使得在排放点测量到提高的噪声输出水平。然而，由于提高的密度，迎角减小。
·AEP中所产生的裕量能够用于通过更慢地旋转来减少负荷(3逆反)。这也导致噪声降低。提高的密度(迎角减小)和增加的湍流强度(迎角增加)的效果能够通过更强/更弱的变桨来补偿(2/2逆反)，这取决于哪种效果占主导地位。同时，在部分负荷范围中可能必须通过提高叶尖速比和αmin(逆反1)来提高迎角储备。
密度提高并且湍流强度(湍流强度)降低
·如果密度在湍流强度降低时提高，那么针对负荷和噪声的效果被补偿。由于提高的密度，负荷(平均值)提高，而降低的湍流强度以降低负荷的方式起作用(集合)。同样的趋势反映在噪声输出水平中。由于较低的湍流强度，入流噪声降低，而较高的密度降低迎角并从而导致较低的后缘噪声。与此相反，提高的噪声速度导致排放点处提高的噪声输出水平。
·在密度提高和湍流强度降低时迎角极限提高。在考虑到在集合中所获得的负荷储备的情况下，这种效果能够用于更急剧的变桨(2)和与其相关的AEP提高。
·转速降低(3逆反)也能够补偿提高的负荷(平均值)。
密度降低并且湍流强度提高
·所述行为与在点“密度提高和湍流强度(湍流强度)降低”中的行为相反地描述。
·作为可行的反应，适合较早的变桨(2逆反)，配对有转速提高(3)，以便考虑降低的迎角极限。
密度和湍流强度降低
·该行为与“密度和湍流强度增加”相反。
·相应地，适合转速提高(3)和更激进的变桨控制(2)以及在部分负荷范围中迎角储备降低(1)的组合。
温度较低而密度较高：
·该假设对应于在凉爽的天气具有大的大地高度的设备。
·由于低温度，存在热储备。由低密度得到，存在负荷储备和轻微的噪声储备。
·如果噪声是关键的：在此适合尽可能增加(4)额定功率并且同时增加速度(3)直至耗尽噪声储备。如果存在其他负荷和迎角储备，那么这能够通过降低(2)桨距来实现。
·如果噪声不关键：在低密度的情况下非常有效的是提高转速。在这种情况下，此时除了额定功率提高(4)外，还应尽可能提高转速(3更强)并且为此用完所有负荷储备。

Claims (19)

1.一种用于运行风能设备的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-确
+-定所述风能设备的环境的环境参数中的至少两个、优
/*-选至少三个并且特别优选所有环境参数，所述环境参数选自：湍流强度、空气密度、空气温度、切变和降水，
-提供用于运行所述风能设备的边界条件，所述边界条件包含出自负荷边界条件、噪声水平边界条件和功率边界条件中的至少一个，
-在考虑所述边界条件的情况下，基于特定的环境参数的变化的组合，调整所述风能设备的运行控制，尤其运行点和/或运行特征曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对所述运行点的调整包括以下步骤：
-提供所述风能设备的当前的运行点，
-基于所述特定的环境参数中的每个环境参数的变化和当前的运行点，确定所述风能设备的运行控制的每个调整，
-在考虑所述边界条件的情况下，基于特定的调整的组合，调整所述风能设备的运行控制。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述风能设备运行期间，反复地，尤其周期性地和特别优选连续地确定所述环境参数。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
如果考虑所述负荷边界条件，噪声水平边界条件和功率边界条件指示至少一个负荷储备，噪声水平储备或功率储备，那么对所述运行点和/或所述运行特征曲线的调整包括以下措施中的至少一个：
-调整，尤其降低最小叶片角，并且调整，尤其降低叶尖速比，以便减少所述运行点距具有最优功率系数的运行点的距离，
-针对所述运行范围的至少一部分将用于控制转子叶片的桨距角的称为桨距特征曲线的特征曲线朝向更高的桨距角移置或改变，
-提高所述风能设备的转子转速，
-增加所述风能设备的额定功率。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定空气密度，
其中所述空气密度的降低导致负荷储备和噪声水平储备的提高并从而导致对运行控制的调整，
调整，尤其提高转子转速以利用噪声水平储备来补偿叶尖速比的变化，和/或
利用所述负荷储备调整所述运行特征曲线和/或桨距特征曲线。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述切变的环境参数包括确定切变系数，
所述切变系数表示在所述风能设备的转子的转子平面上风速在竖直方向上的变化，
所述切变系数的降低对应于具有相对低的交变负荷的更均匀的迎流，
将所述切变系数与预定的切变阈值进行比较，
所述预定的切变阈值对应于具有功率收益的最小值的切变系数，并且
根据所述切变系数的变化和所述切变系数与所述预定的切变阈值的比较来调整所述运行点。
7.根据权利要求6所述的方法，其中
将功率降低范围定义为所述切变系数的值域，对于所述值域，所述转子盘的下半部中的降低的速度无法通过所述转子盘的上半部中的提高的速度来补偿并从而降低功率，其中所述功率降低范围的下端处的切变系数被定义为设计切变系数，其中
根据所述切变系数的变化以及所述切变系数与所述设计切变系数的比较对所述运行点进行调整。
8.根据权利要求7所述的方法，其中
在所述切变系数的降低出现在所述设计切变系数以下的范围中的情况下，调整所述运行点，使得用于提高年发电量的附加的负荷和/或迎角储备引起转速的提高和/或更激进的桨距变化曲线，尤其在个体地设定(IPC)转子叶片的情况下。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中
在所述切变系数的提高出现在所述设计切变系数以上但在所述功率降低范围内的范围中的情况下，调整所述运行点，使得为了遵循必要的负荷和/或迎角储备进行以下调整中的至少一个：
a)个体地设定各个转子叶片以降低负荷，尤其在转子盘的上半部中的负荷，
b)在上部的部分负荷范围中较早地变桨以降低负荷，和
c)降低转速以遵循负荷极限。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中
在所述切变系数的提高出现在所述设计切变系数以上和所述功率降低范围外的范围中的情况下，调整所述运行点，使得为了遵循必要的负荷和/或迎角储备进行以下调整中的至少一个：
a)在不损失年发电量的情况下个体地设定各个转子叶片，
b)在上部的部分负荷范围中较早地变桨，和
c)降低转速以降低负荷。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定湍流强度，
其中，所述湍流强度的降低引起迎角储备的提高和负荷储备的提高，并且其中在确定所述湍流强度的降低时，对运行控制的调整包括：
a)在部分负荷范围中降低叶尖速比和/或最小叶片角以提高功率，和
b)在上部的部分负荷范围中将桨距特征曲线朝向更高的功率移动，以便补偿所产生的负荷和迎角储备，或者
c)除了a)之外并且替选于b)，在考虑所述噪声水平边界条件的情况下，提高所述风能设备的转子转速。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定温度和空气密度，
其中在密度保持不变的情况下降低温度导致所述风能设备的电线路中的热储备，其中在确定热储备时，对所述运行控制的调整包括：
增加功率，要么作为临时的功率提高要么作为持久的额定功率提高，其中所述功率的增加根据所述噪声水平边界条件包括：
a)在存在噪声水平储备时增加所述转子的转速，或者
b)在不存在噪声水平储备的情况下增加所述转矩。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定切变和湍流强度，
其中计算所述切变和所述湍流强度对负荷和迎角储备的影响，并且根据所述负荷和所述迎角储备对所述运行控制的调整包括以下措施中的至少一个：
a)在存在负荷和迎角储备时调整桨距特征曲线，尤其在部分负荷范围中，降低所述最小叶片角和/或叶尖速比；并且
b)短暂地提高额定功率，以补偿阵风。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定所述空气密度和所述湍流强度，
其中在所述空气密度和所述湍流强度提高的情况下跟随着更高的年发电量、更高的负荷和更高的噪声输出水平，其中在这种情况下对所述运行控制的调整包括以下措施中的至少一个：
a)在考虑由于空气密度提高而降低的迎角和由于湍流强度提高而提高的迎角的情况下改变所述桨距特征曲线；
b)降低所述转速以降低所述负荷和所述噪声输出水平；和
c)通过提高所述叶尖速比和/或所述最小叶片角来提高在部分负荷范围中的迎角储备，
并且其中在所述空气密度和所述湍流强度都降低的情况下，将所述措施a)、b)和c)中的至少一个措施，优选至少两个措施和特别优选所有措施颠倒地用于调整所述运行控制。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定所述空气密度和所述湍流强度，
其中在所述空气密度增加而所述湍流强度降低的情况下，补偿对负荷和噪声的作用，其中在这种情况下，对所述运行控制的调整由于提高的迎角极限包括以下措施中的至少一个：
a)改变所述桨距特征曲线以提高所述年发电量；
b)降低所述转速以补偿提高的负荷，尤其负荷平均值。
16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定所述空气密度和所述湍流强度，
其中在所述空气密度降低而所述湍流强度增加的情况下，补偿对负荷和噪声的作用，其中在这种情况下，对所述运行控制的调整为了补偿降低的迎角极限而包括以下措施中的至少一个：
a)通过较早的变桨改变所述桨距特征曲线；
b)提高所述转速。
17.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中
确定所述环境参数包括确定所述空气密度和所述温度，
其中在所述温度下降而所述空气密度增加的情况下，尤其根据所述噪声水平边界条件，对所述运行控制的调整包括以下措施中的至少一个：
a)增加所述额定功率，同时降低所述转速，以遵循所述噪声水平边界条件，在非关键的噪声水平边界条件的情况下，降低仅直到遵循所述负荷边界条件；
b)可选地，提高所述桨距直到遵循所述负荷边界条件。
18.一种具有控制装置的风能设备，其中所述控制装置设立用于根据上述权利要求所述的方法控制所述风能设备。
19.一种风电场，其具有多个根据权利要求18所述的风能设备。
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