DD252640A1

DD252640A1 - CONTROL UNIT FOR WIND POWER PLANTS

Info

Publication number: DD252640A1
Application number: DD86294338A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Zielke; Uwe Baumann; Otto Joern; Helmut Sperlich; Dirk Greven
Original assignee: Rostock Energiekombinat
Priority date: 1986-09-11
Filing date: 1986-09-11
Publication date: 1987-12-23

Abstract

Die Regeleinrichtung kann zur Drehzahlregelung und Sturmsicherung von Windkraftanlagen mit horizontal angestroemtem Windrad, dessen Propellerblaetter verstellbar sind, eingesetzt werden. Ziel der Erfindung ist es, eine einfache und die Windkraft optimal ausnutzende, auf die Propellerblaetter wirkende Regeleinrichtung zu schaffen, die unabhaengig von der jeweiligen Windkraft, eine konstante vorgegebene Nenndrehzahl garantiert und eine Ueberlastung der Anlage verhindert. Die Loesung sieht die Steuerung des Anstellwinkels der Propellerblaetter der Windkraftanlage in Abhaengigkeit von am Propellerfuss auftretendem, infolge unterschiedlicher Windlast sich ergebenden Biegemoment vor. Die Ermittlung der Biegemomentgroesse wird ueber ein Dehnungsmessstreifen, der am Propellerfuss befestigt wird und dazugehoeriger Auswertetechnik realisiert. Der Dehnungsmessstreifen steht ueber Schliessringe und Schleifkontakte mit der Auswertetechnik in Verbindung. Parallel dazu wird ueber einen Impulsgeber eine Drehzahlkontrolle durchgefuehrt. Die so gewonnenen Messgroessen werden in einer elektronischen Schaltung zur Stellgroesse umgewandelt, verstaerkt und einem Stellmotor zugefuehrt.The control device can be used for speed control and storm protection of wind turbines with horizontally gestroemtem wind turbine whose propeller blades are adjustable. The aim of the invention is to provide a simple and the wind power optimally exploiting, acting on the propeller blades control device, which guarantees regardless of the respective wind power, a constant predetermined rated speed and prevents overloading of the system. The solution provides for the control of the angle of attack of the propeller blades of the wind turbine as a function of the bending moment occurring at the propeller base and resulting from different wind loads. The determination of the bending moment size is realized by means of a strain gauge, which is attached to the propeller foot and associated evaluation technique. The strain gauge is connected to the evaluation technique via locking rings and sliding contacts. Parallel to this, a speed control is carried out via a pulse generator. The measured quantities thus obtained are converted in an electronic circuit to the manipulated variable, amplified and fed to a servomotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für Windkraftanlagen mit horizontal angeströmtem Windrad, deren Propellerblätter zum Zwecke der Drehzahlregelung und Sturmsicherung verstellbar durch eine Biegemomentmeßeinrichtung ausgeführt sind und durch Hilfselemente in Wechselbeziehung zur Regeleinrichtung stehen.The invention relates to a control device for wind turbines with horizontally impinged wind turbine whose propeller blades are designed for the purpose of speed control and storm protection adjustable by a Biegemomentmeßeinrichtung and are by auxiliary elements in correlation with the control device.

Characteristic of the known technical solutions

Allgemein sind Windkraftanlagen mit verstellbaren Propellerblättern bekannt. Ihre Verstellung erfolgt mittels separater mechanischer oder hydraulischer Verstellmechanismen oder selbsttätig sich auf günstigen Anströmwinkel der Propellerblätter einstellenden Einstellmechanismus auf der Basis mechanischer Wirkprinzipien (WP 221505 DD).In general, wind turbines with adjustable propeller blades are known. Their adjustment takes place by means of separate mechanical or hydraulic adjustment mechanisms or automatically adjusts to favorable angle of attack of the propeller blades adjusting mechanism based on mechanical principles of action (WP 221505 DD).

Zur Steuerung des günstigen Anströmwinkels der Propellerblätter mit Hilfe einer Biegemomentmeßeinrichtung liegen bisher keine Lösungen vor. Für die Messung von Biegemomenten werden magnetelastische oder Dehnmeßstreifenverfahren angewendet. Für diese Meßverfahren bildet der lokale Spannungszustand bzw. die Oberflächendehnung des Trägerkörpers den Träger der Meßinformationen. Solche Messungen werden zur Überwachung statisch oder/und dynamisch hochbelasteter Bauteile realisiert.To control the favorable angle of attack of the propeller blades by means of a Biegemomentmeßeinrichtung are so far no solutions. Magnetic or strain gauge techniques are used to measure bending moments. For these measurement methods, the local stress state or the surface strain of the carrier body forms the carrier of the measurement information. Such measurements are implemented to monitor static and / or dynamic highly loaded components.

Ziel der Erfindung 'Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine einfache und die Windkraft optimal ausnutzende, auf die Propellerblätter wirkende Regeleinrichtung zu schaffen, die unabhängig von der jeweiligen Windkraft eine konstante vorgegebene Nenndrehzahl garantiert und eine Überlastung der Anlage verhindert sowie ein günstiges Anlaufverhalten bei kleinen Windgeschwindigkeiten zeigt.The aim of the invention is to provide a simple and optimal use of wind power, acting on the propeller blades control device that guarantees a constant predetermined rated speed regardless of the respective wind power and prevents overloading of the system and shows a favorable start-up behavior at low wind speeds.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine indirekt mit den Propellerblättern in Wirkbeziehung stehende Regeleinrichtung zur Konstanthaltung einer vorgegebenen Drehzahl zu entwickeln. Die Propellerblätter sollen dazu in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Windenergie stets einen optimalen Anstellwinkel einnehmen. Ausgehend von einer optimalen Ausgangsstellung der Propellerblätter in der Anlaufphase soll die Regeleinrichtung die jeweils günstigen Anströmwinkel bis zur Sturmstellung und Ruhelage des Propellers steuern.The invention has for its object to develop an indirectly with the propeller blades in operative relationship control device for keeping constant a predetermined speed. The propeller blades should always assume an optimum angle of attack depending on the available wind energy. Starting from an optimal initial position of the propeller blades in the start-up phase, the control device should control the respectively favorable angle of attack until the storm position and rest position of the propeller.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Steuerung des Anstellwinkels der Propellerblätter der Windkraftanlage in Abhängigkeit von am Propellerfuß auftretenden, infolge unterschiedlicher Windlast sich ergebenden Biegemoment erfolgt. Die Ermittlung der Biegemomentgröße wird über Dehnungsmeßstreifen bzw. Biegemomentindikatoren, die am Propellerfuß befestigt werden und dazugehöriger Auswertetechnik realisiert.According to the invention, this object is achieved in that the control of the angle of attack of the propeller blades of the wind turbine in response to occurring at the propeller, takes place as a result of different wind load bending moment. The determination of the bending moment size is realized by means of strain gauges or bending moment indicators, which are fastened to the propeller base and associated evaluation technology.

Bei vorgegebener, konstanter Drehzahl der Propellerwelle, die durch entsprechende Übersetzungselemente an die Generatordrehzahl angepaßt ist, ergeben sich bei einem bestimmten Anstellwinkel der Popellerblätter bei zu großer Windlast Biegungen am Propellerfuß. Die Stellung des Propellerblattes bei der die geringste Biegung am Propellerfuß auftritt, muß jeweils erreicht werden, um optimale Laufbedingungen der Anlage zu gewährleisten. Mit Hilfe der Dehnmeßstreifentechnik ist die Größe des Biegemomentes am Propellerfuß als Steuergröße für den optimalen Anstellwinkel auszubilden. Entsprechend des funktionalen Zusammenhanges zwischen erreichbarer Leistung, Biegemoment und Propelleranstellwinkel erfolgt die Ermittlung der Stellgröße, dabei soll bei optimaler Ausnutzung der Windenergie eine maximale Leistung erreicht werden. Eine Verstärkung der Stellgröße zur Einstellung der einzelnen in einer Propellernabe axial verstellbar angeordneten Propellerblätter, die gegenüber der Nabe über ein gemeinsames von außen verstellbares Koppelglied kinematisch wirkungsverbunden sind, kann mechanisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen, so z. B. über einen von außen ansteuerbaren mit dem Koppelglied verbundenen Stellmotor.At a given, constant speed of the propeller shaft, which is adapted by appropriate translation elements to the generator speed, resulting in a certain angle of Popellerblätter at too great a wind load bends on the propeller. The position of the propeller blade at which the slightest bend occurs at the propeller foot, must be achieved in each case to ensure optimum running conditions of the plant. With the help of Dehnmeßstreifentechnik the size of the bending moment at the propeller base is to be formed as a control variable for the optimal angle of attack. According to the functional relationship between achievable power, bending moment and propeller setting angle, the determination of the manipulated variable takes place, whereby a maximum performance is to be achieved with optimal utilization of the wind energy. A gain of the manipulated variable for adjusting the individual axially adjustable in a propeller hub arranged propeller blades, which are kinematic effect connected to the hub via a common externally adjustable coupling member, can be mechanically, electrically, pneumatically or hydraulically, such. B. via an externally controllable connected to the coupling member servomotor.

Die vorgeschlagene Regeleinrichtung hat den Vorteil, daß auf Grund des großen Arbeitsbereiches der Anlage eine optimale Ausnutzung der Windenergie erfolgt, bei weitgehender Konstanthaltung einer bestimmten Nenndrehzahl. Gleichzeitig wird bei Windschwankungen eine zeitweilige Energiespeicherung zur Kompensation der Drehzahlschwankungen erfolgreich genutzt. Damit wird eine hohe Laufruhe der Anlage gewährleistet.The proposed control device has the advantage that due to the large working range of the system optimum utilization of wind energy takes place, while largely maintaining a certain rated speed. At the same time a temporary energy storage is used successfully to compensate for the speed fluctuations in wind fluctuations. This ensures a smooth running of the system.

embodiment

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Beispieles beschrieben werden.The invention will be described below by way of example.

Auf dem Propellerfuß 1 einer Windkraftanlage wird ein Biegemomentindikator2 angebracht und mit einer Meßbrücke 3 über Schleifringe 4 und Schleifkontakte 5 verbunden. Die Meßbrücke 3 steht ihrerseits mit einer Regeleinrichtung 6 in Verbindung. Die Regeleinrichtung 6 wird mit einer Drehzahlkontrolleinrichtung verbunden, die aus einem Impulsträger 7, Impulsgeber 8, Impulsaufbereiter 9, einer Impulszähleitirichtung/Speicher 10 und einer Zeitbasis 11 besteht. Die Regeleinrichtung 6 gibt den entsprechenden Verstellimpuls an einen nachgeschalteten Verstärker der Stellgröße 12 an einen Stellmotor 13 weiter. An die Regeleinrichtung 6 sind eine Vorgabe des Funktionsalgorithmus 14, eine Vorgabe für den Anstellwinkel und Sturmstellung 15 und eine Handregelung 16 angeschlossen. Bei Änderung der Windlast auf die Propellerblätter 17 wird eine Änderung der Länge des Biegemomentindikators 2 bewirkt, die ihrerseits eine Veränderung der Meßbrückenspannung zur Folge hat. In der Regeleinrichtung 6 werden biegemomentproportionale Steuergrößen in Abhängigkeit vom Impuls der Drehzahlkontrolleinrichtung zu einem Steuerimpuls verarbeitet, der dem Stellmotor 13 zugeführt wird.On the propeller 1 of a wind turbine, a Biegemomentindikator2 is attached and connected to a measuring bridge 3 via slip rings 4 and sliding contacts 5. The measuring bridge 3 is in turn connected to a control device 6 in connection. The control device 6 is connected to a speed control device which consists of a pulse carrier 7, pulse generator 8, pulse conditioner 9, a Impulszähleitirichtung / memory 10 and a time base 11. The control device 6 outputs the corresponding adjusting pulse to a downstream amplifier of the manipulated variable 12 to a servomotor 13 on. To the control device 6, a specification of the functional algorithm 14, a specification for the angle of attack and storm position 15 and a manual control 16 are connected. When changing the wind load on the propeller blades 17, a change in the length of the bending moment indicator 2 is effected, which in turn has a change in Meßbrückenspannung result. In the control device 6 bending moment proportional control variables are processed in response to the pulse of the speed control device to a control pulse which is supplied to the servomotor 13.

Claims

Control device for wind turbines, in particular for setting the speed, constant speed and storm protection, preferably with horizontally impinged propellers depending on the attacking wind power, characterized in that on the propeller (1) a bending moment indicator (2) mounted and with a measuring bridge (3) via slip rings (4 ) and sliding contacts (5) is connected, wherein the measuring bridge (3) in turn with a control device (6) is in communication with a speed control device consisting of a pulse carrier (7), pulse generator (8), pulse conditioner (9), pulse counting / Memory (10) and time base (11) is connected and the corresponding adjustment pulses to a downstream amplifier of the manipulated variable (12) to a servomotor (13) passes, wherein the control device (6) in addition to a specification of the function algorithm (14), a Specification for the angle of attack and storm position (15) also a manual regulation (16) ange is closed.

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Field of application of the invention