CN115885104A - 通过使用应变传感器对风能设备进行过载保护 - Google Patents

Abstract

一种用于控制风能设备(100)的方法(200)，所述风能设备具有转子，所述转子具有至少一个转子叶片(17)，所述方法包括：测量(210)至少一个转子叶片的应变；至少部分地基于所测量的至少一个转子叶片的应变来改变(220)至少一个转子叶片的桨距角；其中测量至少一个转子叶片的应变是测量转子叶片(17)的叶片根部的区域中的至少一个应变。

Description

通过使用应变传感器对风能设备进行过载保护

技术领域

本公开涉及一种用于控制风能设备的方法和一种风能设备。尤其地，根据本公开的方法涉及对风能设备的控制，其中测量在风能设备的转子叶片的叶片根部区域中的至少一个应变。此外，根据本公开的方法涉及改变风能设备的转子叶片的桨距角，其中尤其防止风能设备的发电机和/或逆变器过载。

背景技术

风能设备将风能转换为电能。风将力施加到风能设备转子的至少一个转子叶片上，使得风的动能转换为转子的旋转能。转子驱动电发电机，所述发电机将电能馈入电网中。发电机通常产生交流电压。

风作用到转子叶片上的力随时间变化，例如与阵风、风力和风向相关。因此，所产生的电功率和由发电机产生的电压和/或由发电机产生的电流的频率发生改变。

借助于逆变器可行的是，基于由风能设备的发电机产生的具有可变频率的电压/电流向电网馈入具有恒定频率的电压/电流。

例如，由发电机产生的具有可变频率的交流电压能够在逆变器中转换为直流电压，其中储能器，如电容器，基于直流电压暂时储存电能，所述电能又在逆变器中用于例如提供具有恒定频率的输出电压/电流。

逆变器能够几乎接收发电机的具有可变频率的所有电能，基于所产生的直流电压将能量暂时储存在诸如电容器的储能器中，并且在产生具有恒定频率的交流电流的情况下将电能馈入电网中。

在双馈异步发电机中，逆变器能够构成用于将由发电机产生的能量的一部分馈入电网中，或者也能够部分地将能量引导到发电机。风能设备在电网连接点处的总输出电压/总输出电流是由发电机产生的电压/由发电机产生的电流与由逆变器产生的电压/由逆变器产生的电流的组合，使得能够确保在电网馈电点处的恒定频率。

通过使用双馈异步发电机，逆变器的尺寸能够更小，因为仅总能量和总功率的一部分流经逆变器。

在阵风和/或强风的情况下，风能设备的逆变器和/或发电机会过载。过强的风和/或过强的阵风引起风能设备的转子的动能的增加，该增加又会引起发电机的所产生的电功率的增加。这会使风能设备发电机受损。如果由发电机产生的电功率超过极限值，那么逆变器也会受损，例如当过高的电流流入逆变器的半导体元件中时。

因此，必须限制转子的动能和/或从转子传输到电发电机的运动学功率和/或由发电机产生的电功率和/或流经逆变器的功率，以便避免损坏。

对上述功率的限制例如能够通过设定转子叶片的桨距角来进行。

通过设定桨距角，能够减少风施加到转子叶片上的力，使得减少所传输的运动学功率。由此减少了转子的运动学旋转功率并且发电机产生较少的电功率。这防止发电机和/或逆变器过载。

如果过迟地设定桨距角，可能会不再能够防止过载。

如果过早地设定桨距角，可能会失去原本能够转换为电能的风功率。

因此，存在改进方法的必要性，以便尽可能最佳地改变转子叶片的桨距角，使得尤其有效地防止发电机和/或逆变器过载，而不会不必要地损失仍能由风能设备转换为电能的风功率，和/或不会对发电机和/或转子叶片造成损坏。

发明内容

根据一个实施方式，公开了一种用于控制风能设备的方法，所述风能设备具有转子，所述转子具有至少一个转子叶片，所述方法包括：测量至少一个转子叶片的应变；至少部分地基于测量到的至少一个转子叶片的应变来改变至少一个转子叶片的桨距角；其中测量至少一个转子叶片的应变是测量在转子叶片的叶片根部的区域中的至少一个应变。

根据另一实施方式，公开了一种风能设备，所述风能设备包括：用于测量风能设备的至少一个转子叶片的应变的传感器；控制单元，所述控制单元设计用于至少部分地基于由传感器测量的至少一个转子叶片的应变来改变至少一个转子叶片的桨距角；以及其中控制单元根据上述方法控制风能设备。

其他实施方式、细节和优点根据从属权利要求、下述说明书和附图公开。

附图说明

图1示出根据本公开的实施方式的风能设备。

图2示出根据本公开的用于控制风能设备的方法。

具体实施方式

风能设备将风的动能转换为电能，或者说将运动学功率转换为电功率。将功率理解为每单位时间消耗的能量，或者说能量的时间导数。

图1示出根据本公开的实施方式的风能设备。

风能设备10包括至少一个驱动转子14的转子叶片。风与转子叶片17碰撞从而使力作用到转子叶片上，所述力引起转子的转矩。由此转子14和转子叶片17被加速，直到通过相反的转矩产生平衡。该相反的转矩能够是将运动旋转能量转换为电能的发电机16的转矩和/或因摩擦引起的转矩。

风能设备10能够包括逆变器12，所述逆变器尤其用于基于由发电机16产生的不具有恒定频率的交流电流/交流电压实现/产生具有恒定频率的交流电流，因为风不会引起转子14的恒定转速。

风能设备10还能够包括风速表(风速计)11和/或控制设备13，所述控制设备尤其能够控制或调节转子叶片17的桨距角。通过设定转子叶片17的桨距角可行的是，改变风施加到转子叶片上的力。由此改变转子叶片的由风产生的转矩。

同样，发电机16的转矩和/或从转子14到发电机16的转速传动比也能够改变，例如借助于设定传动装置来改变。

对于所提供的风速，可获得的电功率是有限的。在风速过高时，风能设备可能受到损坏。例如，发电机会过多负荷运动学功率，和/或逆变器会过多负荷电功率，其中逆变器/发电机过载在本公开中意味着超过最大标称功率，无论是朝向逆变器/发电机和/或来自逆变器/发电机。

根据本公开的实施方式，风能设备10包括在转子叶片17的叶片根部中的至少一个应变传感器15。

如果风能设备10在强风阶段期间处于满负荷运行中，那么以具有提高的风速的阵风形式来临的过载会导致逆变器12受损。如果设备的调节对过载的反应过迟，那么由发电机16产生的电能就不再能够在逆变器12中正确地被处理。其后果是逆变器超出其功率参数短暂运行和使其受损。这导致风能设备的停止运转，直到损坏被修复。后果是高的成本和电能的损失。

如果转子给发电机提供的运动学功率过多时，或者说如果流经逆变器的电功率过多时，所述电功率例如超过最大允许的额定功率，那么会出现风能设备的发电机和/或逆变器过载。

例如，如果风强度过强或出现过强的阵风，那么转子的旋转功率会急剧增加，这可能导致由发电机产生的电功率在很短时间内增加，由此会使发电机受损和/或使逆变器受损，例如当在逆变器的半导体元件中流过过高的电流时，其中所述电流例如超过半导体元件的最大额定电流。

基于设备的功率曲线对设备进行的常规的调节是将当前产生的功率与所保存的参考曲线进行比较。风能设备通过转子叶片桨距角的变化被控制到稳定的状态中。这种调节不能有效地防止过载，因为桨距角的变化需要一定的时间，在这段时间里，功率会继续增加，由此会使逆变器损坏。

为了防止或预防逆变器和/或发电机过载，观察和测量发电机的电功率是不足够的。观察和测量例如动能和/或其时间导数，例如转子的动能或功率，也是不足够的。也就是说，如果测量到表明过载的增加，就不再可能再及时调整桨距角来有效地防止过载。

也就是说，如果在发电机或转子上测量到功率增加，那么调整转子叶片的桨距角和/或制动转子只会在一段时间后导致从风处所接收的运动学功率的有效减少，从而只会在一段时间后导致发电机和/或逆变器处的有效的功率较低。在功率降低有效地发生之前，不能排除对逆变器或发电机的损坏，例如，当风强度的进一步提高使得功率继续增加而同时仍在设定桨距角。

通过测量风强度的方式也不能有效地防止过载。一方面，局部的测量，例如通过风能设备的风速计，是有误差的。此外，风力涡轮机附近的风强度场可能是不规则的或紊乱的，使得局部或逐点的风测量不适合得出关于由风传输给风能设备的转子的功率的有效结论，尤其在出现快速变化的强阵风时如此。

例如通过激光雷达(LIDAR)测量风能设备附近的整个风场是耗费的，并且仅间接地通过计算和评估测量到的数据才可能得出关于可能过载的结论。

在更大的距离中例如通过设置有风力涡轮机的风电场的较远的LIDAR测量风场同样是不可靠的，因为尤其在强阵风的情况下，风强度和风向会有很大局部偏差，或者不能通过测量较远距离的风场准确确定。

因此，有必要测量或探测从风传输到转子上的风功率的增加，尤其用于有效地防止逆变器或发电机过载，尤其是在不使用风速表、风速计或LIDAR的情况下。

从风传给转子的运动学功率的增加导致转子叶片的挠度，因为至少部分地弹性的转子叶片经受更大的力。这种挠度导致了转子叶片的扭曲变形，尤其在转子叶片的叶片根部的区域中。

弯矩与测量到的应变成比例。如果发生应变跳跃，弯矩也会跳跃性地变化。

转子叶片的弹性引起在转子的应变和强烈加速之间的延迟。如果应变超过阈值，那么根据本公开迅速进行干预是可行的。能够防止例如逆变器/发电机的损坏。如果不进行干预，5s后就已经会因逆变器过载和受损而出现损坏。转子叶片能够在3秒内被调整，但是在开始调整后，功率已经迅速下降并且及时防止损坏/过载。

测量转子叶片的挠度能够实现有效地测量和/或在转子叶片的弹性方面预测和/或探测转子的运动学功率的增加和能量的增加，从而能够实现有效地预防逆变器或发电机过载。

尤其地，由于转子/转子叶片的质量惯性，当风强度增加从而作用到转子叶片上的风力增加时，转子叶片的挠度尚在发电机处的电功率显著增加之前就已经发生。

通过在叶片根部的区域中使用至少一个应变传感器15，能够提前识别过载情况。由于转子的质量惯性，尚在转子加速并且将所吸收的能量传输给发电机之前就进行转子叶片的提高的挠度。如果利用通过至少一个应变传感器15获得的信息，那么所述设备能够提早地改变转子叶片的桨距角从而预防接收过载。

应变传感器，如应变传感器15，能够尚在转子本身加速并且向发电机输出能量/功率之前就检测转子叶片的提高的挠度。因此，转子叶片中的传感系统尚在过载出现之前就检测所出现的临界状态。与此相反，迄今为止的方法仅在过载发生时和/或在发电机的功率提高时才起作用。也就是说，通过使用用于防止过载的应变传感器能够防止对风能设备造成更多损坏。

通过使用应变传感器，尚在能量被引入风能设备的系统之前就能够识别所出现的过载。由此，也能够尚在问题发生之前就能够启动用于防止损坏的措施。由此，对系统的调节不再是纯粹地对已经引入的能量进行反应，而是相反可以进行预防性的调节。

通过使用在时间上比临界状态本身更早出现的信号，例如转子叶片的挠度的信号，用于启动避免损坏的措施的时间窗提高。本公开能够应用于任何风能设备，而不干预安全链。

例如，能够为应变传感器规定阈值。在超过阈值时，风能设备能够停止或在短时间内转入降低的运行状态。

在风强度/风速的增加可能使得在没有任何措施的情况下开始过载之前，本公开在时间上延迟地测量或探测风强度/风速的增加。时间上的延迟足以通过调整桨距角有效地防止否则出现的过载。例如，时间上的延迟因转子的质量惯性引起。

本公开的一个实施方式是方法200(参见图2)，所述方法用于控制具有转子的风能设备，所述转子具有至少一个转子叶片，该方法包括：测量210至少一个转子叶片的应变；至少部分地基于所测量的至少一个转子叶片的应变来改变220至少一个转子叶片的桨距角；其中测量至少一个转子叶片的应变是测量转子叶片的根部区域中的至少一个应变。

根据一个实施方式，对至少一个转子叶片的应变的测量探测到至少一个转子叶片的挠度，这预示转子在短时间内即将加速。

挠度尤其是转子叶片的应变，例如在转子叶片的根部处的应变，所述应变超过预定的阈值。也就是说，不是每个应变都被评估为挠度，而是超过阈值的应变被评估为挠度。

根据一个实施方式，一旦探测到挠度，就改变至少一个转子叶片的桨距角，以便防止转子在短时间内即将的加速。

根据一个实施方式，改变桨距角防止风能设备的发电机和/或逆变器过载，其方式为，保持从转子叶片传输给发电机和/或逆变器的功率受限。

也就是说，一旦探测到/确定/检测到挠度，例如一旦应变超过预定的阈值，就改变转子叶片的桨距角，以便防止转子在短时间内即将的加速，尤其防止逆变器和/或发电机过载，在所述逆变器和/或发电机中，从转子叶片传输给逆变器和/或发电机的功率保持受限。

在风能设备的正常运行期间，转子叶片的应变是正常的，并且转子叶片的加速也是风能设备的正常运行的一部分。

如果风以一定速度到达静止的转子叶片上，转子叶片应变并且转子开始加速。加速度是转子的因转子的转矩引起的角加速度，所述转矩通过风的作用力引起。转子同时也通过发电机的反作用转矩和/或通过摩擦制动。随着转子的角速度增加，在风速保持不变的情况下，通过风引起的转矩下降，因为风朝向转子叶片的表面的相对速度/运动减少。如果通过风引起的转矩与通过发电机和/或摩擦引起的转矩之间存在平衡，那么转子的角速度保持恒定并且运动学功率从风中流向发电机，所述发电机产生电功率。

也就是说，在正常运行时，转子叶片的应变，例如转子叶片根部的应变，保持受限。

过高的风速，如暴风雨中的阵风，将导致转子叶片和/或转子叶片根部的更高的应变，并且将在发电机的更高的转矩下发生转矩的平衡，由此发电机将产生更高的电功率，所述电功率例如会使逆变器受损和/或会使发电机本身受损。

也就是说，如果转子叶片或者说叶片根部的应变超过阈值，那么不采取措施来预见逆变器和/或发电机的即将发生的过载。在超过阈值时，超出阈值越多，过载就发生得越快。

阈值例如能够被定义为应变量的最小上界，对于所述应变量而言，在发生风和发电机的作用到转子上的转矩的即将到来的平衡时，不超过发电机的最大额定功率和/或流经逆变器的最大额定功率，尤其使得在逆变器和/或发电机处不产生损坏。

阈值也可能与转子的当前转速相关。例如，在转速高时转子叶片的高的应变与在转子处于静止时或转速低时相比更关键，因为在转速高时高的应变表明已经高的功率的进一步增加。

也就是说，就本公开而言，超过阈值是转子叶片的挠度。因此，只要应变超过阈值，就会发生挠度，其中阈值要么是恒定的，要么是转子的当前转速的函数，必要时与风能设备的其他参数相关，例如发电机的转矩和/或转子和发电机之间的转速传输比，电负载等。

根据一个实施方式，应变的测量通过光纤的应变传感器15执行，所述应变传感器设置在至少一个转子叶片的叶片根部中并且尤其包含纤维布拉格光栅。

根据一个实施方式，测量转子叶片中的所有转子叶片的应变，并且尤其基于所有转子叶片的所测量的应变来改变桨距角。

根据一个实施方式，桨距角的改变附加地基于转子的功率和/或旋转速度。

例如，叶片根部应变的阈值能够与转子的旋转速度相关，并且相应地，对转子叶片的挠度的探测也能够与转子的旋转速度相关。

例如，叶片根部的应变的阈值能够与转子的旋转速度无关，并且相应地，对转子叶片的挠度的探测也能够与转子的旋转速度无关，但桨距角的改变至少部分地基于转子的功率和/或旋转速度。例如，如果存在转子的更高功率和/或更高旋转速度，同时挠度保持不变，即在超过转子叶片的叶片根部的应变的恒定的阈值时，那么桨距角的改变的量值能够更大。

根据一个实施方式，桨距角的改变附加地基于所测量的风速，尤其基于通过风速计或激光雷达测量的风速。

因此，探测挠度和/或超过阈值能够用附加的测量来补充，以便改善预测过载的能力。因此，能够区分是短暂的阵风碰撞了转子叶片一次，还是预料会有反复出现的剧烈阵风。因此，能够做出更有区别的决定，例如，风能设备是否应该下调或停止。

根据一个实施方式，应变的测量是测量转子叶片上的第一点和远距离的第二点之间的应变，光纤在这两点之间张紧，所述光纤例如包含纤维布拉格光栅。

一些实施方式涉及一种风能设备，所述风能设备包括：用于测量风能设备的至少一个转子叶片的应变的传感器；控制单元，所述控制单元设计用于至少部分地基于由传感器测量的至少一个转子叶片的应变来改变至少一个转子叶片的桨距角；并且其中控制单元根据本公开的方法控制风能设备。

一些实施方式涉及一种具有根据本公开的至少一个风能设备的风电场。

使用玻璃纤维传感器，例如纤维布拉格光栅传感器，能够实现将应变传感器安装在叶片根部的区域中。尤其地，这能够实现对单个风能设备的改善的控制。

一旦应变超过阈值，就能够停止或短时内控制所述设备，以便有效且有利地避免损坏，例如避免风能设备的逆变器和/或发电机过载。能够实现预防性干预，而在现有技术中，仅对已经引入的能量作出反应。

本公开能够实现有效且低成本地控制每个单个风力涡轮机，尤其用于防止单个风力涡轮机的损坏。

应变传感器，尤其纤维布拉格光栅传感器，是鲁棒且耐用的、价格低廉并且易于安装。

在不使用激光雷达的情况下，能够有效地防止诸如逆变器/发电机的过载和/或损坏。激光雷达关联有相当大的成本，并且为每个单个风能设备安装激光雷达是耗费且成本密集的。激光雷达此外可能是不准确的，因为该激光雷达检测在空间上远距离的风数据，而实际的当地风况可能是混乱且难以确定的。与此相反，根据本公开的内容，测量叶片根部的区域中的应变是准确的、有效的、可实时执行的并且是低成本的。

也能够测量每个单个转子叶片的应变，而风速计例如仅能够整体地针对风能设备执行不准确的局部的风测量。通过激光雷达也不能测量或检测各个转子叶片的应变。因此，本公开能够实现得出关于转子的转矩和/或转子的可能导致过载的脉冲式加速度的更准确的结论，并且能够实现有效且在短时间内进行干预，以便防止逆变器/发电机的过载或损坏。

本公开的应变传感器，例如具有纤维布拉格光栅传感器的光纤传感器，与风速计和/或激光雷达传感器相比是更鲁棒和更耐用的。

本公开不需要复杂的模型和/或抽象化和/或耗费的校准。与阈值的简单比较足以测量/检测单个转子叶片的根部区域中的准确的应变和/或挠度，以便因此能够有效地防止例如变流器和/或发电机的损坏/过载。

风速计即使经过耗费的校准也是不准确的，而根据本公开，不需要校准和/或能够非常容易地进行校准。激光雷达通常不是单个风力涡轮机的一部分。应变传感器的安装是不成问题的并且是成本低的，尤其与安装激光雷达相比。

Claims (11)

1.一种用于控制风能设备(100)的方法(200)，所述风能设备具有转子，所述转子具有至少一个转子叶片(17)，所述方法包括：

测量(210)所述至少一个转子叶片的应变，

至少部分地基于所测量的至少一个转子叶片的应变，改变(220)所述至少一个转子叶片的桨距角，

其中，测量所述至少一个转子叶片的应变是测量所述转子叶片(17)的叶片根部的区域中的至少一个应变。

2.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述至少一个转子叶片的应变是探测所述至少一个转子叶片的挠度，所述挠度预示所述转子短时间内即将加速。

3.根据权利要求2所述的方法，其中一旦探测到所述挠度，就改变所述至少一个转子叶片的桨距角，以便防止所述转子的短时间内即将的加速。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中改变所述桨距角防止所述风能设备的发电机和/或逆变器过载，其方式为：保持从转子叶片传输给发电机和/或逆变器的功率受限。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中借助于光纤应变传感器执行应变测量，所述光纤应变传感器设置在所述至少一个转子叶片的叶片根部中并且包含纤维布拉格光栅。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中测量所述转子叶片中的所有转子叶片的应变，并且其中所述桨距角的改变基于所测量到的所有转子叶片的应变。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述桨距角的改变附加地基于所述转子的功率和/或旋转速度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述桨距角的改变附加地基于所测量到的风速，尤其基于通过风速计或激光雷达测量到的风速。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中测量所述应变是测量在转子叶片上的第一点和远距离的第二点之间的应变，光纤在所述第一点和第二点之间张紧。

10.一种风能设备(100)，包括：

用于测量所述风能设备的至少一个转子叶片(17)的应变的传感器(15)。

控制单元(13)，所述控制单元设计用于至少部分地基于通过所述传感器测量到的至少一个转子叶片的应变来改变所述至少一个转子叶片(17)的桨距角，

并且其中所述控制单元根据权利要求1至9中任一项所述的方法来控制所述风能设备。

11.一种风电场，所述风电场具有根据权利要求10所述的至少一个风能设备。

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