DE10109553B4 - Luftdichteabhängige Leistungsregelung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem elektrischen Generator (12) unter Verwendung von statistischen, eingegebenen und/oder gemessenen Luftdichtedaten am Ort der Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerungsvorrichtung (20), welche die Luftdichtedaten verarbeitet, der Generator (12) der Windenergieanlage gesteuert wird und abhängig von der Luftdichte Leistungsdaten des Generators (12) eingestellt werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einer Steuerungsvorrichtung zur Betriebsführung der Windenergieanlage und ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einer Steuerungsvorrichtung zur Betriebsführung.
  • Eine Windenergieanlage wandelt einen Teil der im Wind enthaltenen kinetischen Energie in elektrische Energie um. Dazu weist die Windenergieanlage einen Rotor auf, der dem Wind kinetische Energie entzieht und in Rotationsenergie umwandelt.
  • Aus DE 198 44 258 A1 ist eine Windenergieanlage bzw. ein Verfahren zu ihrer Steuerung bekannt, wobei in Abhängigkeit von der am Standort der Windenergieanlage gemessenen Luftdichte die Abschaltgeschwindigkeit der Windenergieanlage bei abnehmender Luftdichte höher eingestellt wird. Damit kann ein bestimmter Windgeschwindigkeitsbereich bei bestimmter vorliegender Luftdichte erschlossen werden.
  • In der Steuerungsvorrichtung einer Windenergieanlage ist eine Leistungskennlinie hinterlegt, welche der Steuerung der Windenergieanlage erlaubt, aus der ermittelten Rotordrehzahl, die von der Windgeschwindigkeit abhängig ist, die zugeordnete Generatorleistung zu ermitteln. Aus dieser Generatorleistung, welche die Windenergieanlage abgeben soll, ergibt sich die benötigte Erregerleistung und daraus wiederum das Generatormoment. Um dieses erforderliche Generatormoment zu erzeugen, muss der Rotor über den Antriebsstrang wenigstens dieses Drehmoment bereit stellen.
  • Die Leistung P der Windenergieanlage entspricht der durch den Rotorkreis der Windenergieanlage hindurchfließenden Energiemenge und ergibt sich aus der Querschnittsfläche F, die der Rotorkreisfläche entspricht, nach der Gleichung P = ½ ρ v3 F[W].
  • Daraus ergibt sich bei einer gegebenen Windgeschwindigkeit v und einer vorgegebenen Rotorkreisfläche F die Abhängigkeit der Energiemenge von der Luftdichte ρ. Ist die Energiemenge zu gering, kann der Rotor dieses Moment nicht aufbringen und daher sinkt die Rotordrehzahl in Folge des zu hohen Generatormomentes.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb einer Windenergieanlage soweit zu optimieren, dass stets eine größtmögliche Energiemenge, also eine größtmögliche Leistung bereitgestellt werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit dem Merkmal nach Anspruch 1 bzw. durch eine Windenergieanlage mit dem Merkmal nach Anspruch 3 gelöst.
  • Bei bisherigen Windenergieanlagen ist neben einer Leistungskennlinie auch die Schnellaufzahl λ vorgegeben. Die Schnellaufzahl λ entspricht hierbei dem Quotienten aus der Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblattspitze und der Windgeschwindigkeit. Wie bereits ausgeführt, ergibt sich dann, wenn die Leistungskennlinie nicht der entsprechenden Luftdichte angepasst ist, eine Abweichung der in der Steuerungsvorrichtung festgelegten Schnellaufzahl λ.
  • Bei der Erfindung berücksichtigt die Steuerungsvorrichtung die Höhe des Aufbauortes der Windenergieanlage und/oder die Höhe der Windenergieanlage, also die im Standort der Windenergieanlage gegebene Luftdichte.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit zunehmender Höhe die Luftdichte geringer wird. Bezugsmaßstab ist stets die Meereshöhe Normalnull (NN). Je höher der Aufbauort der Windenergieanlage über NN liegt, umso geringer ist die Luftdichte, und entsprechend geringer ist die im Wind enthaltene Energie.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es besonders vorteilhaft, dass durch die Berücksichtigung der Höhe des Aufbauortes der Windenergieanlage über NN diese geringere Luftdichte in der Leistungskennlinie Berücksichtigung findet. Dadurch kann die einer Rotordrehzahl und damit einer bestimmten Schnelllaufzahl λ zugeordnete, von der Windenergieanlage zu erzeugende Leistung entsprechend angepasst, also herab gesetzt werden, so dass das Generatormoment in Folge der durch die Steuerungsvorrichtung eingespeisten Erregerleistung das über den Rotor bereit gestellte Drehmoment nicht überschreitet. Dadurch bleibt der über die Leistungskennlinie festgelegte Wirkungsgrad erhalten und dem Wind kann die maximale Energie entnommen werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe des Aufbauortes der Windenergieanlage und/oder die Höhe der Windenergieanlage anpassbar, d. h., dass eine Standort-unabhängige Steuerung vorgesehen werden kann, welcher die entsprechenden Parameter über geeignete Einstellmittel wie Schalter, Konfigurationsparameter, etc., mitgeteilt werden können.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Windenergieanlage mit einer Messvorrichtung zur Erfassung der Luftdichte und insbesondere bevorzugt mit einer Messvorrichtung zur Erfassung des Luftdruckes und der Temperatur ausgestattet. Aus diesen beiden Daten lässt sich die Luftdichte bestimmen. Dadurch kann auf eine Einstellung der Parameter verzichtet werden, da die Steuerungsvorrichtung diese Parameter selbsttätig aus den von der Messvorrichtung erhaltenen Daten ermittelt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuerungsvorrichtung wenigstens einen Mikroprozessor, so dass die Steuerung der Windenergieanlage auf der Basis einer Steuerungssoftware erfolgen kann.
  • Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem elektrischen Generator unter Verwendung von statistischen, eingegebenen und/oder gemessenen Luftdichtedaten am Ort der Windenergieanlage, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels einer Steuerungsvorrichtung, welche die Luftdichtedaten verarbeitet, der Generator der Windenergieanlage gesteuert wird und abhängig von der Luftdichte Leistungsdaten des Generators eingestellt werden Bei einem solchen Verfahren ist es besonders bevorzugt, wenn abhängig von der Luftdichte eine dem Generator zugeführte Erregerleistung eingestellt wird.
  • Die Erfassung und Verarbeitung der Luftdichtedaten mittels der Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise dadurch geschehen, dass
    • a) die Luftdichte erfasst wird,
    • b) aus der Luftdichte abgeleitete Signale, welche die Luftdichte repräsentieren, zu der Steuerungsvorrichtung übertragen werden, und
    • c) die Luftdichte von der Steuerungsvorrichtung bei der Betriebsführung berücksichtigt wird.
  • Dabei können in Schritt a) der Luftdruck und die Temperatur erfasst werden, und in Schritt b) können aus Luftdruck und Temperatur nach einem vorgegebenen Algorithmus Signale abgeleitet werden, welche die Luftdichte repräsentieren.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
    •
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Figur näher erläutert. Dabei zeigt die Figur ein vereinfachtes Blockschaltbild der vorliegenden Erfindung.
  • In der Figur ist die Windenergieanlage dargestellt mit einem Rotor 10, einem Generator 12, einer Kraftübertragung 14 zwischen Rotor und Generator, einer Einrichtung zur Erfassung des Luftdruckes 16, einer Einrichtung zur Erfassung der Temperatur 18 und einer Steuerungsvorrichtung 20 mit einem Mikroprozessor.
  • Die Einrichtung zum Erfassen des Luftdruckes 16 ist über eine Verbindung 22 mit der Steuerungsvorrichtung 20 verbunden, die Einrichtung zur Erfassung der Temperatur ist über eine Verbindung 24 mit der Steuerungsvorrichtung 20 verbunden und über eine Verbindung 26 wird die Rotordrehzahl zu der Steuerungsvorrichtung 20 übertragen. Diese Verbindungen können z. B. galvanische Verbindungen oder andere geeignete Verbindungen wie drahtlose Verbindungen sein.
  • Aus den übertragenen Informationen ermittelt die Steuerungsvorrichtung 20 anhand vorgegebener Leistungsdaten die vom Generator abzugebende Leistung und beeinflusst über eine Verbindung 28 die dem Generator 12 zugeführte Erregerleistung.
  • Dabei kann die Wirkungsweise der Steuerungsvorrichtung 20 derart vorgegeben sein, dass Änderungen der Luftdichte, die sich aus Änderungen des Luftdruckes bzw. der Temperatur ermitteln lassen, nur dann von der Steuerungsvorrichtung 20 berücksichtigt werden, wenn sie einen vorgebbaren Betrag überschreiten und/oder diese Änderungen für eine vorgebbare Zeit ermittelt werden.
  • Selbstverständlich ist es statt der Erfassung der Luftdichte auch möglich, einen Wert für die Luftdichte am jeweiligen Standort vorzugeben. Hierbei wird beispielsweise auch die Höhe über NN der Windenergieanlage bzw. der Rotor-Nabe der Windenergieanlage berücksichtigt. Dementsprechend kann auch ein mittlerer Wert für die entsprechende Luftdichte in der vorgegebenen Höhe vorgegeben und in der Steuerungsvorrichtung gespeichert werden. Durch die Erfindung wird mithin die jeweilige Leistungskennlinie einer Windenergieanlage auch auf die entsprechende Luftdichte am Ort der Windenergieanlage angepasst. Dies erlaubt es, den Wirkungsgrad der Windenergieanlage stets auf den maximal möglichen Wert zu halten, und zwar auch dann, wenn die Luftdichte in erheblichem Maße schwankt bzw. die Windenergieanlage in einigen 100 Metern über NN aufgestellt wird, auch wenn die Leistungskennlinie zunächst einmal für einen Standort eine Höhe 00 über NN ermittelt.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage mit einem elektrischen Generator (12) unter Verwendung von statistischen, eingegebenen und/oder gemessenen Luftdichtedaten am Ort der Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerungsvorrichtung (20), welche die Luftdichtedaten verarbeitet, der Generator (12) der Windenergieanlage gesteuert wird und abhängig von der Luftdichte Leistungsdaten des Generators (12) eingestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Luftdichte eine dem Generator (12) zugeführte Erregerleistung eingestellt wird.
  3. Windenergienanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage mit einer Steuerungseinrichtung (20) zur Betriebsführung der Windenergieanlage ausgestattet ist, wobei Mittel zur Erfassung und/oder Einstellung von Luftdichtedaten vorgesehen sind, wobei die Luftdichtedaten in der Steuerungsvorrichtung (20) verarbeitet werden und unter Berücksichtigung der Daten der Luftdichte Leistungsdaten der vom Generator (12) der Windenergieanlage abzugebenden Leistung eingestellt werden.
  4. Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass unter Berücksichtigung der Daten der Luftdichte die dem Generator (12) zugeführte Erregerleistung eingestellt wird.
  5. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (16, 18) zur Erfassung der Luftdichte vorgesehen ist, wobei die Messvorrichtung mit der Steuerungsvorrichtung (20) verbunden ist.
  6. Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (16, 18) wenigstens eine Einrichtung zur Erfassung des Luftdrucks (16) und der Temperatur (18) am Standort der Windenergieanlage umfasst.
  7. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert oder die Daten, die der jeweiligen Luftdichte entsprechen, über Eingabemittel vorgebbar sind und in der Steuerungsvorrichtung (20) gespeichert werden.
  8. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (20) einen Mikroprozessor enthält, in dem die Luftdichtedaten zusammen mit einem Steuerungsprogramm der Windenergieanlage verarbeitet werden.
  9. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (20) die Höhe des Aufbauortes der Windenergieanlage und/oder die Höhe der Windenergieanlage berücksichtigt.
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