DE102007030268B4

DE102007030268B4 - Verfahren und Vorrichtung zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Wind- oder Wasserkraftanlage mittels beliebig angeordneter Messsensoren

Info

Publication number: DE102007030268B4
Application number: DE102007030268A
Authority: DE
Inventors: Dirk FEDDER; Lars KAUKE; Jochen Giebhardt
Original assignee: Moog Unna GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2012-06-21
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: DE102007030268A1; DE102007030268B9

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Wind- oder Wasserkraftanlage (01), die eine Rotorwelle (05). mindestens einen ersten Messsensor (06, 25, 26, 39), der mittelbar oder unmittelbar an der Rotorwelle (05) angeordnet Ist und mit der Rotorwelle (05) rotiert, und eine Recheneinheit (12) umfasst. Der erste Messsensor (06, 25, 26, 39) ist im Pitchsystem der Wind- oder Wasserkraftanlage (01) angeordnet und erfasst mindestens eine erste Messkomponente (27, 29) einer originären Vektorgröße Kraft und/oder Beschleunigung F→ in einem mit der Achse der Rotorwelle (05) rotieren den Messkoordinatensystem (40). Dabei ist der Messsensor (06, 25, 26, 39) zum Austausch von Daten mit der Recheneinheit (12) verbunden, wobei die Recheneinheit (12) aus der Messkomponente (27, 29) zumindest die Rotordrehzahl ω, (30) der Rotorwelle (05) mittels einer Drehzahlbestimmungseinrichtung (38, 48) bestimmt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur indirekten Bestimmung dynamischer Grünen einer Wind- oder Wasserkraftanlage mit Hilfe von mindestens einem mit der Rotorwelle (05) rotierenden Messsensor (06, 25, 26, 39).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Wind- oder Wasserkraftanlage nach der Lehre des Patentanspruchs 1, die eine Rotorwelle, mindestens einen Messsensor, der mittelbar oder unmittelbar an der Rotorwelle angeordnet ist und mit der Rotorwelle rotiert, und eine Recheneinheit umfasst.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Wind- oder Wasserkraftanlage mit Rotorwelle nach der Lehre des Patentanspruchs 23.
Für den Betrieb von Windkraftanlagen ist die Rotordrehzahl eine außerordentlich wichtige Größe. Die korrekte Rotordrehzahl ist für die Einstellung des Arbeitspunktes mit maximaler Leistung oder optimalem Wirkungsgrad ebenso relevant wie die Überwachung der Maximaldrehzahl, bis zu der eine mechanische Beschädigung des Rotors ausgeschlossen ist.
In Wind- oder Wasserkraftanlagen nach dem Stand der Technik werden zur Bestimmung der Rotordrehzahl Drehzahlgeber eingesetzt, die entweder direkt die Rotordrehzahl messen oder über ein mechanisches Getriebe mit der Rotorwelle gekoppelt sind. Oft wird die Drehzahl redundant gemessen, d. h., dass mindestens zwei Drehzahlgeber zum Einsatz kommen, die sich gegenseitig überwachen und somit der Betrieb bei Ausfall eines Gebers fortgesetzt werden kann. In vielen Fällen sind diese redundanten Geber nicht gleichwertig. Beispielsweise kommt häufig ein hochwertiger Geber mit vergleichsweise hoher Auflösung zum Einsatz, der auch für den Betrieb des Generators verwendet werden kann. Als redundanter Geber bietet sich dann eine einfache Impulszählung der Zahne von Getrieben oder Schrauben mit Initiatoren an. Die Impulszählung liefert jedoch keine Information über den Drehwinkel der Rotorachse und ist in vielen Fällen für eine genaue Bestimmung der Drehbeschleunigung zu ungenau.
Aus den dynamischen Größen Rotordrehzahl, Rotorbeschleunigung und Rotorwinkel lassen sich spezifische Kennwerte der Wind- oder Wasserkraftanlage ableiten. So können diese Kennwerte Aufschluss über die mechanische Belastung, die entziehbare elektrische Energie, den optimalen Ausrichtwinkel des Rotors bzw. der Rotorblätter und weitere Kenngrößen geben. Im Bereich der Rotornachführung von Windkraftanlagen wurden beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 197 39 162 A1 und DE 197 39 164 A1 Vorschläge unterbreitet, um zur Unterstützung der Regelvorrichtung zur Nachführung der Rotorgondel in Abhängigkeit vom Rotorwinkel den Rotorblatt-Pitch so zu verändern, dass hierdurch eine Drehung der Gondel unter geringer mechanischer Belastung durchgeführt werden kann, und/oder die Gier- oder Nickmomente auf die Unterkonstruktion verringert werden können. Für diese neuen Regelverfahren ist jedoch eine präzise Bestimmung der Rotordrehzahl erforderlich. In diesem Zusammenhang hat die oben angesprochene Impulszählung den entscheidenden Nachteil, dass auf Grund der geringen Impulszahl die Drehzahl nur mit vergleichsweise hohen Totzeiten bestimmt werden kann. Eine zusätzliche Information über die Drehzahl ist erst nach Eintreffen einer neuen Flanke des Zahnrads erhältlich. Des Weiteren ist die Bestimmung des Rotordrehwinkels nur schwer möglich, und insbesondere der Überdrehzahlfall kann nur verzögert detektiert werden, da eine Drehwinkelbeschleunigung nicht zeitnah erfasst werden kann.
Ein weiterer Nachteil der Drehgeber des Stands der Technik liegt darin, dass sie in der Regel im ruhenden Teil der Gondel der Wind- oder Wasserkraftanlage untergebracht sind. Für die Betriebsführung und für die Generatorregelung werden die Messgrößen jedoch auch im rotierenden Teil der Gondel beispielsweise zur Ansteuerung der Pitch-Regler benötigt. Im Fall der Überdrehzahl führt der Betriebsführungsrechner eine Sicherheitsfahrt durch, indem ein entsprechender Befehl über die Schleifringe zwischen Gondel und Welle zum Pitchsystem in der Nabe abgesetzt werden muss. Hierdurch entsteht eine erhöhte Fehleranfälligkeit und durch komplexe Signalführung geht wertvolle Zeit verloren, in der die Wind- oder Wasserkraftanlage gefährdet ist.
Daneben existiert ein Vorschlag zur Bestimmung dynamischer Größen einer Windkraftanlage mittels symmetrisch um die Rotorwelle angeordneten Kraft- oder Beschleunigungssensoren, die vektorielle Kräfte messen. Das Grundprinzip beruht in diesem Fall darauf, dass aufgrund der symmetrischen Anordnung der Messsensoren die gemessenen Fliehkräfte aus den Messvektoren kompensiert werden können, so dass der Vektor der resultierenden Gewichtskraft ermittelbar ist. Mit Hilfe des Gewichtskraftvektors können schließlich aus den Messvektoren die Größen Drehzahl, Drehwinkel und Drehbeschleunigung errechnet werden. Nachteilig ist jedoch der hohe Aufwand einer sehr präzisen symmetrischen Anordnung der Messsensoren, die Vielzahl notwendiger Sensoren nebst Montage und Verkabelung sowie eine erhöhte Störanfälligkeit, da bei Ausfall nur eines Sensors eine Bestimmung der dynamischen Größen unmöglich wird.
Die DE 10 2005 034 899 A1 betrifft eine Pitcheinrichtung einer Windkraftanlage mit Störfalldetektor, der abnormale Betriebszustände erkennen kann, bei denen eine Auslöseeinrichtung ein Verfahren des Rotorblatts in eine Abschaltposition bewirkt. Hierzu sind in der Pitcheinrichtung Messaufnehmer wie Rotorblattanstellwinkelsensor, Rotorpositionswinkelsensor, Rotordrehzahlgeber, Längsbeschleunigungssensor, Querbeschleunigungssensor, Zentrifugalbeschleunigungssensor angeordnet, wobei nicht direkt messbare Größen aus anderen messbaren Großen ermittelbar sind. Jedoch gehört die Drehzahl nicht zu diesen nicht messbaren Größen.
Daneben offenbart die WO 2004/042325 A1 einen Hubodometer, also einen Wegstreckenzähler, der das Messprinzip einer indirekten Bestimmtung der Drehzahl mittels eines Beschleunigungssensors zur Bestimmung der Fahrdistanz eines Fahrzeugs nutzt. Hierzu wird ein einzelner Beschleunigungssensor zur Bestimmung der Anzahl der Radumdrehungen genutzt. Jedoch offenbart diese Druckschrift keine drehsymmetrische Anordnung zweier Sensoren, die Kraft oder Beschleunigung messen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Windkraftanlage vorzuschlagen, die das Ziel aufweist, mit relativ geringem konstruktiven Aufwand und geringen Anforderungen an die Montagegenauigkeit, hoher Wartungsfreiheit und Betriebssicherheit sowie niedrigen Kosten, zumindest die Rotordrehzahl einer Wind- oder Wasserkraftanlage zu messen, und die oben genannten Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach der Lehre des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren nach der Lehre des Patentanspruchs 23 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Rotorwelle, mindestens einen ersten Messsensor, der unmittelbar oder mittelbar an der Rotorwelle angeordnet ist und mit der Rotorwelle rotiert, und eine Recheneinheit. Dabei ist der erste Messsensor und die Recheneinheit im Pitchsystem der Wind- oder Wasserkraftanlage angeordnet und erfasst mindestens eine erste Messkomponente einer originären Vektorgröße Kraft oder Beschleunigung F → in einem mit der Achse der Rotorwelle rotierenden Messkoordinatensystem. Die Anordnung der Messsensors im Pitchsystem ist besonders vorteilhaft da es eine kurze und einfach zu realisierende Verbindung von Messsensor mit Pitch-Regler ermöglicht, um die Ergebnisse der Bestimmung dynamischer Größen unmittelbar in die Regelung des Rotorblatt-Pitches einfliesen zu lassen. Der Messsensor ist zum Austausch von Daten mit der Recheneinheit verbunden, wobei die Recheneinheit aus der Messkomponente zumindest die Rotordrehzahl ω_r der Rotorwelle bestimmt. Mit anderen Worten misst ein Messsensor, der im Pitchsystem der Wind- oder Wasserkraftanlage angeordnet ist, die periodischen Kraftveränderungen einer originären Vektorgröße Kraft und/oder Beschleunigung F → und übermittelt den zeitlichen Verlauf der Messkomponente an eine Recheneinheit. Innerhalb der Recheneinheit ist eine Drehzahlbestimmungseinrichtung angeordnet, die mittels Frequenzanalyse aus dem periodischen Zeitsignal der Messkomponente die Rotordrehzahl ω_r bestimmt, insbesondere dadurch, dass das zeitliche Messsignal in den Frequenzbereich transformiert wird, und die betragsstärkste Frequenzkomponente als Rotordrehzahl ω_r bestimmt wird. Neben der Rotordrehzahl ω_r liegt es natürlich nah, dass die Bestimmungsvorrichtung auch zur Messung des Lagewinkels φ_r sowie der Rotationsbeschleunigung α_r herangezogen werden kann – entweder durch Integration bzw. Ableitung der Rotordrehzahl ω_r, oder durch anderweitige Bestimmungsverfahren.
Der Messsensor kann ein beliebiger Vektorsensor sein, bevorzugterweise ist es möglich, einen Beschleunigungssensor oder einen Kraftsensor zu verwenden, wie er beispielsweise aus der Automobiltechnik bekannt ist.
Diese Sensoren sind in Varianten erhältlich, die gleichzeitig bis zu drei orthogonale Achsen einer translatorischen Beschleunigung detektieren können. Aber auch Sensoren, die weniger Ebenen messen können, können zum Einsatz kommen.
Im Grunde reicht es aus, dass der Messsensor eine erste Messkomponente misst. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel misst der Messsensor eine erste und eine davon verschiedene zweite Messkomponente im Messkoordinatensystem. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass die erste Messkomponente rechtwinklig zur zweiten Messkomponente im Messkoordinatensystem angeordnet ist. Das Messkoordinatensystem ist hierzu bevorzugt in radialer und tangentialer Richtung ausgerichtet so dass die Messkomponenten in e ⇀_r- und e ⇀_φ-Richtung ausgerichtet sind. Dabei kann die e ⇀_r-Radialkomponente neben der wechselnden Gravitationskraft auch die Fliehkraft bestimmen, und die e ⇀_φ-Tangentialkomponente lediglich eine um 90° verschobene Wirkung der Gravitationskraft. Durch Zusammenfassung der beiden orthogonal zueinander stehenden Messkomponenten kann eine exakte Bestimmung der Rotordrehzahl ω_r erreicht werden.
Ausgehend von der erfindungsgemäßen Anordnung des Messsensors im Pitchsystem angeordnet ist, ist es besonders vorteilhaft, den Messsensor und/oder auch die Recheneinheit im Antriebssystem des Pitch-Reglers des Pitchsystems zu integrieren. Dies hat eine Vielzahl von Vorteilen: Im Pitch-Regler sind bereits eine Vielzahl von Elektronikkomponenten, wie ein Prozessrechner enthalten. Die dort bereits vorhandene Energieversorgung und Messsignalaufbereitung steht ohne Mehrkosten für die Vorrichtung zur Verfügung. Wird die Recheneinheit außerhalb des drehenden Teils der Wind- oder Wasserkraftanlage angeordnet, so müssen die Signale zum Pitchsystem über Schleifringe übertragen werden. Ist jedoch die Recheneinheit bereits im Pitchsystem integriert, ist die Verfügbarkeit des Signals gesichert. Üblicherweise werden alle Pitch-Regler gleich aufgebaut und ausgerüstet, so dass beispielsweise eine Windkraftanlage mit zwei oder drei Rotorblättern demzufolge auch zwei oder drei Messsensoren mit zugehörigen Recheneinheiten aufweisen kann. Somit ist eine Redundanz gegeben, die der erhöhten Betriebssicherheit der Kraftanlage zugute kommt. Der leistungsstarke Mikroprozessor des Pitch-Reglers kann die Auswertung und Berechnung der vom Messsensor gelieferten Messkomponenten übernehmen. Die Pitch-Regler sind üblicherweise über gängige Feldbusanschlüsse mit einer übergeordneten Steuervorrichtung verbunden, so dass die von der Vorrichtung ermittelten dynamischen Größen auch an die übergeordnete Steuereinvorrichtung übertragen werden kann. Des Weiteren stellt der Pitch-Regler die nötigen Versorgungsspannungen zur Verfügung. Der Pitch-Regler weist bereits ein Gehäuse auf, das den Sensor und die Auswerteelektronik gegenüber Wettereinflüssen und Blitzschlägen schützen kann. Daneben ermöglicht die Anordnung der Messsensoren innerhalb des Pitchsystems die Überwachung des Pitchsystems während des Transports zum Kunden auf Schockbelastung oder starke Vibration. Letztlich erfordert die Vorrichtung keinen zusätzlichen Bauraum für weitere Bauteile im oder außerhalb des Schaltschranks des Pitchsystems, da dies bereits im Pitchsystem selbst integriert ist. Der Messsensor übermittelt die aufgenommene Messkomponente an die Recheneinheit. Üblicherweise wird diese Übermittlung drahtgebunden erfolgen, jedoch kann es bevorzugt möglich sein, die Messdaten der Messkomponente drahtlos an die Recheneinheit zu übermitteln, so dass der Messsensor ohne großen konstruktiven Mehraufwand an beliebigen Stellen der Rotorachse angebracht werden kann, und per Funk, Infrarot etc. die Daten an die Recheneinheit übermittelt.
Die Recheneinheit kann eine Drehzahlbestimmungseinrichtung umfassen. Diese Drehzahlbestimmungseinrichtung hat die Aufgabe, aus dem zeitlichen Verlauf der Messkomponente die Rotordrehzahl ω_r zu bestimmen. Hierzu kann in einem besonders ausgezeichneten Ausführungsbeispiel die Drehzahlbestimmungseinrichtung mindestens eine Frequenzfiltereinrichtung umfassen, um beispielsweise unerwünschte Frequenzanteile aus dem zeitlichen Verlauf des Messsignals der Messkomponente zu filtern.
Die Recheneinheit kann auf Basis des zeitlichen Messsignals des ersten Messsensors die gewünschte Rotordrehzahl ω_r, aber auch weitere Größen wie Lagewinkel φ_r und Rotationsbeschleunigung α_r auf grundsätzlich beliebige Weise ermitteln. Im Vordergrund stehen im Rahmen bevorzugter Ausführungsbeispiele zwei grundlegend verschiedene Strategien, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt: Zum einen ein signaltheoretischer Ansatz zur Auswertung des zeitlichen Messsignals im Frequenzbereich, zum anderen ein direktmessender Ansatz im Sinne einer nachführenden und selbstregelnden Messung der dynamischen Größen.
Bei dem signaltheoretischem Ansatz ist es vorteilhaft, dass eine von der Recheneinheit umfasste Drehzahlbestimmungseinrichtung mindest eine Frequenztransformationseinrichtung umfasst, um den zeitlichen Verlauf des Messsignals der Messkomponente in den Frequenzbereich beispielsweise mit Hilfe einer FFT oder DFT zu transformieren, um das Frequenzspektrum der Messkomponente mit Hilfe signaltheoretischer Methoden zu analysieren.
Darüber hinaus kann vorteilhafterweise eine von der Recheneinheit umfasste Drehzahlbestimmungseinrichtung eine Frequenzbestimmungseinrichtung umfassen. Die Analyse ausgezeichneter Frequenzpunkte im Frequenzspektrum der Messkomponente erfolgt dabei mit Hilfe einer Frequenzbestimmungseinrichtung. Beispielsweise kann die Frequenzbestimmungseinrichtung die amplitudenstärkste Frequenzkomponente des Frequenzspektrums der Messkomponente ermitteln und hieraus die Rotordrehzahl ω_r bestimmen.
Bei dem direktmessenden Ansatz wird ein analoges Prinzip wie bei einer PLL-Regelung (phase-locked loop) verfolgt. Hierzu umfasst eine von der Recheneinheit umfasste Drehzahlbestimmungseinrichtung ein Koordinatentransformationsglied, einen Regler, einen Integrator, ein P-Glied und ein Quadrierglied. Die Drehzahlbestimmungseinrichtung empfangt zumindest zwei orthogonale Messkomponenten, insbesondere die Radialkomponente F_r und die Tangentialkomponente F_φ. des Messkoordinatensystems des ersten Messsensors. Sie transformiert diese mittels des Koordinatentransformationsglieds in Komponenten F_x, F_y des Festkoordinatensystems. Hierzu benötigt das Koordinatentransformationsglied eine Schätzung des Drehwinkels φ_r, das es rückgekoppelt vom Ausgang der Drehzahlbestimmungseinrichtung erhält. Aus den Komponenten F_x, F_y, bestimmt die Drehzahlbestimmungseinrichtung nachfolgend eine Regelabweichung Δ, beispielsweise kann dies unter der Annahme geschehen, dass die Komponente F_x bei gleichbleibender Rotordrehzahl und exakt geschätztem Drehwinkel φ_r gerade Null ist, so dass eine Abweichung der Komponente F_x von Null gerade der Regelabweichung Δ entspricht. Des Weiteren ist denkbar, dass sich die Regeldifferenz durch eine Formel Δ = F_x + F_y – m·g ergibt, da unter der Annahme exakter Winkelbestimmung und gleichförmiger Rotordrehzahl F_r = 0 und F_y = m·g gilt, mit m als Messbezugsmasse des Messsensors und g als Erdbeschleunigung. Darüberhinaus sind beliebige weitere Bestimmungsmöglichkeiten einer Regelabweichung Δ aus den Komponenten der Messkomponenten möglich. Die bestimmte Regeldifferenz Δ wird dem Regler zugeführt, der hieraus einen geschätzten Wert der Rotordrehzahl bestimmt. Aus dieser Rotordrehzahl ω_r wird, da
gilt, durch den Integrator der aktuelle Rotorwinkel φ_r aufintegriert. Der hierdurch bestimmte Rotorwinkel φ_r wird wiederum rückgekoppelt dem Koordinatentransformationsglied zugeführt. Daneben und parallel hierzu wird die geschätzte Rotordrehzahl ω_r, quadriert durch das Quadrierglied und skaliert mit dem Faktor m·r durch das P-Glied (m als Messbezugsmasse, r als Radius des Messsensors zur Rotordrehachse), rückgeführt und von der Eingangs-Messkomponente F_r subtrahiert, um den Einfluss der Zentrifugalkraft F_c = m·r·ω² auf die Eingangs-Messkomponente F_r zu kompensieren. Einfach gesagt kann die Arbeitsweise der direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung so dargestellt werden: φ_r und ω_r einstellen, Regelabweichung feststellen, bei Abweichung φ_r und ω_r nachregeln, bis sich die Regelabweichung Δ zu Null ergibt. Somit ist eine hochexakte phasengekoppelte Drehzahlbestimmungseinrichtung mit zweifacher Rückkopplung durch ω_r und φ_r zur Nachführung eines geschätzten Rotorwinkels φ_r vorgeschlagen, die mit hoher Präzision und insbesondere vorteilhaft gegenüber den signaltheoretischem Ansatz mit vernachlässigbarer Totzeit die dynamischen Größen misst.
Bezugnehmend auf das Ausführungsbeispiel der direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung ist es vorteilhaft und nahe liegend, dass diese des weiteren eine gesondertes Regelabweichungsbestimmungsglied umfasst, das aus den Komponenten des Festkoordinatensystems die Regelabweichung wie oben skizziert bestimmt.
Der in der direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung vorgesehene Regler kann grundsätzlich beliebig ausgestaltet sein, so bietet sich aufgrund der geringen Komplexität ein P-Regler an. Besonders vorteilhaft erscheint es jedoch, zumindest ein PI-Regler oder einen darauf aufbauenden Regler einzusetzen, da dieser möglichst schnell und ohne Überschwingverhalten die Regelabweichung Δ zuverlässig ausregelt und dadurch geringe Totzeiten ermöglicht.
Mit Hilfe der Vorrichtung nach Anspruch 1 kann die Rotordrehzahl ω_r bestimmt werden. Diese ist eine wichtige Kenngröße der Kraftanlage, so dass es in einer möglichen Ausführungsform vorteilhaft ist, die Recheneinheit mit mindestens einem Pitch-Regler des Pitchsystems zu verbinden, wobei dieser bereits erfindungsgemäß dort integriert ist, um den Pitch-Regler in Abhängigkeit der ermittelten Rotordrehzahl zu steuern. So kann in Abhängigkeit der von der Recheneinheit ermittelten Rotordrehzahl ω_r und eventuell auch des Lagewinkels φ_r die Pitcheinstellung der Rotorblätter verändert werden, um eine gewünschte Drehzahl und einen optimalen Wirkungsgrad der Windkraftanlage zu erreichen.
Innerhalb der Recheneinheit stehen die ermittelten dynamischen Größen zur Verfügung. Da in den meisten Kraftanlagen eine oder mehrere übergeordnete Steuereinheiten die Gesamtsteuerung übernimmt, ist es vorteilhaft, wenn die Recheneinheit mit mindestens einer übergeordneten Steuereinheit der Wind- oder Wasserkraftanlage zum Austausch von Daten verbunden ist,. So kann beispielsweise in einer Windkraftanlage eine übergeordnete Steuereinheit Elevation und Azimut der Gondel, sowie den Pitch der einzelnen Rotorblätter steuern. Durch Übermittlung der dynamischen Größen von der Recheneinheit an die übergeordnete Steuereinheit ist eine Steuerung der gesamten Kraftanlage unter Berücksichtigung der dynamischen Größen möglich.
Prinzipiell kann die Übertragung der dynamischen Größen von der Steuereinheit zur übergeordneten Steuereinheit beliebig, insbesondere drahtgebunden erfolgen. In einem besonders ausgezeichneten Ausführungsbeispiel erfolgt die Übermittlung mittels drahtloser Datenübertragung, beispielsweise über Funk, Infrarot oder Ähnlichem. Da sich üblicherweise die Recheneinheit oder zumindest die Messsensoren im rotierenden Bereich der Rotorwelle befinden und die übergeordnete Steuereinheit im feststehenden Teil der Kraftanlage, bietet sich eine drahtlose Übertragung der dynamischen Größen von Recheneinheit zu einer übergeordneten Steuereinheit an, da diese ohne mechanische Komponenten zur Signalübertragung auskommt.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird mindestens ein zweiter Messsensor im Pitchsystem angeordnet, wobei der zweite Messsensor mindestens eine dritte Messkomponente misst, und die dritte Messkomponente entweder an die Recheneinheit, eine zweite Recheneinheit, oder an die übergeordnete Steuereinheit zur Steuerung von Rotorblatt-Pitch, Gondel-Elevation oder Gondel-Azimut übermittelt. Die Anordnung eines zweiten Messsensors erhöht die Betriebssicherheit durch Redundanz und ermöglicht eine zweite unabhängige Bestimmung der dynamischen Größen. Da in den meisten Kraftanlagen die Pitchsysteme identisch aufgebaut sind, liegt es nahe, mindestens so viele Messsensoren vorzusehen wie Pitch-Regler vorhanden sind. Jeder einzelne Messsensor in dem Pitchsystem ermittelt die Daten der dynamischen Größen innerhalb seiner Recheneinheit, so dass diese Daten an die Recheneinheiten benachbarter Pitch-Regler oder an eine übergeordnete Steuervorrichtung übermittelt werden können. So ist es zum einen möglich, dass jeder Pitch-Regler unabhängig von den anderen Pitch-Reglern durch selbstständige Ermittlung der dynamischen Größen arbeitet, und zum anderen denkbar, zum Zweck der Fehlerelimination die Ergebnisse der verschiedenen Recheneinheiten der verschiedenen Messsensoren miteinander zu kombinieren, oder alle Messergebnisse an eine übergeordnete Steuereinheit zur Gesamtsteuerung der Kraftanlage zu übermitteln.
An die Ermittlung der dynamischen Größen wird eine hohe Betriebssicherheitsanforderung gestellt. So ist es in einem besonders ausgezeichneten Ausführungsbeispiel möglich, in der Vorrichtung mindestens einen weiteren Messsensor vorzusehen, der mit der Recheneinheit und/oder der übergeordneten Steuereinheit verbunden ist, und der die dynamischen Größen direkt misst. Üblicherweise steht als weiterer Messsensor ein mechanischer Drehzahlmesser oder ähnliches zur Verfügung. Die Ergebnisse des mechanischen Drehzahlmessers können entweder an die Recheneinheit des einzelnen Messsensors übermittelt oder an eine übergeordnete Steuereinheit weitergeleitet werden. Mit Hilfe der ermittelten dynamischen Größen des konventionellen Messsensors ist es möglich, zum einen die Ausfallanfälligkeit der Messvorrichtung zu vermindern, zum anderen mittels einer intelligenten Fehlerelimination die Qualität der ermittelten dynamischen Größen zu verbessern.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Wind- oder Wasserkraftanlage mit Rotorwelle, die folgende Verfahrensschritte ausführt:
– Messung von mindestens einer ersten Messkomponente einer originären Vektorgröße Kraft oder Beschleunigung F → in einem mit der Achse der Rotorwelle rotierenden lokalen Messkoordinatensystem durch mindestens einen mittelbar oder unmittelbar an der Achse der Rotorwelle angeordneten und mitrotierenden ersten Messsensor;
– Übermittlung der ersten Messkomponenten an eine Recheneinheit;
– Berechnung zumindest der Rotorendrehzahl ω_r aus der ersten Messkomponente der originären Vektorgröße F → durch die Recheneinheit.
Somit misst das Verfahren mindestens eine vektorielle Messkomponente eines Messsensors, d. h. Kraft oder Beschleunigung in einer Richtung innerhalb eines mitbewegten Messkoordinatensystems, übermittelt diese gemessene Komponente an einer Recheneinheit, in der sich eine Drehzahlbestimmungseinrichtung befindet, die mit Hilfe signaltheoretischer Methoden aus dem zeitlichen Verlaufen der Messkomponente die Rotordrehzahl ω_r bestimmt.
Prinzipiell benötigt das Verfahren nur eine einzelne vektorielle Messkomponente, die in dem mitrotierenden Messkoordinatensystem erfasst wird. Jedoch ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens eine zweite Messkomponente durch den ersten Messsensor gemessen wird, die ebenfalls von der Recheneinheit zur Berechnung der dynamischen Großen genutzt wird. So ist es beispielsweise denkbar, die radialen F_r und tangentialen F_φ auftretenden Vektorkräfte zu bestimmen, und diese der Recheneinheit zu übermitteln, so dass die Recheneinheit aus beiden Messkomponenten getrennt die Rotordrehzahl berechnen kann, wobei der radiale Anteil einen durch die Zentrifugalkraft bewirkten Gleichanteil des zeitlichen Kraftverlaufs aufweist. Die Verwendung von zwei oder mehreren Messkomponenten dient der erhöhten Redundanz und auch der Fehlerelimination, um die Qualität, d. h. Messgenauigkeit der dynamischen Größe zu verbessern.
Wie bereits oben beschrieben benötigt die Vorrichtung mindestens einen Messsensor. Jedoch kann es vorteilhaft sein, mehr als einen insbesondere zwei oder drei Messsensoren entsprechend der Anzahl der Rotorblätter innerhalb der Vorrichtung vorzusehen, so dass beispielsweise eine dritte Messkomponente durch einen zweiten Messsensor gemessen wird, die entweder von der Recheneinheit, von einer zweiten Recheneinheit oder von einer übergeordneten Steuereinheit zur Berechnung der dynamischen Größen, insbesondere zu Zwecken der Redundanz oder Fehlerelimination genutzt wird. So ist es üblich, die einzelnen Pitch-Regler des Pitchsystems einer Kraftanlage identisch aufzubauen. Ist beispielsweise der Messsensor und die Recheneinheit innerhalb des Pitchsystems angeordnet, so umfasst jede Kraftanlage so viele Messsensoren und Recheneinheiten wie Rotorblätter vorhanden sind. Die Messkomponenten innerhalb der Pitch-Regler können dabei an die innerhalb des Pitch-Reglers angeordneten Recheneinheiten, aber auch an benachbarte Recheneinheiten oder an eine übergeordnete Steuereinheit übermittelt werden, um dort zur Bestimmung der dynamischen Größen verarbeitet zu werden.
Ausgehend von den ermittelten Messkomponenten wird die Rotordrehzahl ω_r als dynamische Kenngröße der Kraftanlage bestimmt. Jedoch ist es möglich; beispielsweise durch zeitliche Differenzierung oder Integration, weitere dynamische Größen wie die Drehbeschleunigung α_r und/oder den Drehwinkel φ_r der Rotorwelle zu berechnen. Daneben können beispielsweise die Vorzeichen des Signalverlaufs der einzelnen Messkomponenten zur Bestimmung ausgezeichneter Rotorstellungen wie Hochpunkt, Tiefpunkt oder waagerechte Lage des Rotorblatts zu bestimmen.
Im Rahmen der Berechnung der dynamischen Größen werden die zeitlichen Verläufe der Messkomponenten analysiert. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, dass erfasste dynamische Größen eines konventionellen Messsensors, wie beispielsweise eines mechanischen Drehzahlsensors etc. bei der Berechnung berücksichtigt werden, um eine Korrektur der indirekt ermittelten dynamischen Größen zu berechnen, oder um im Fehlerfall eine Notbestimmung der dynamischen Größen vorzunehmen.
Die Übermittlung der erfassten Messdaten des konventionellen Messsensors zur Recheneinheit und/oder zur übergeordneten Steuereinheit kann beliebig, insbesondere drahtgebunden erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Übermittlung drahtlos, beispielsweise durch Funk oder Infrarotschnittstellen. Hierdurch ist eine Übermittlung insbesondere vom bewegten Teil zum ruhenden Teil der Kraftanlage leicht und störungsfrei möglich.
Innerhalb einer konventionellen Kraftanlage ist meist eine übergeordnete Steuereinheit vorhanden, die die Kraftanlage als solches steuert. In Windkraftanlagen steuert die übergeordnete Steuereinheit insbesondere Größen wie Gondel-Elevation, Gondel-Azimut und Rotorblatt-Pitch aller Rotorblätter. Stehen nach der Berechnung die dynamischen Größen zur Verfügung, so ist es in einem ausgezeichnetem Ausführungsbeispiel vorteilhaft, die ermittelten dynamischen Größen von der Recheneinheit in eine übergeordnete Steuereinheit oder an einen Pitch-Regler zu übermitteln, damit diese auf Grundlage der dynamischen Größen eine Regelung vornehmen.
Die innerhalb der Recheneinheit angeordnete Drehzahlbestimmungseinrichtung bestimmt aus dem zeitlichen Verlauf der Messkomponente des Messsensors zumindest die Rotordrehzahl ω_r. Hierzu kann sie grundsätzlich verschiedene Verfahren anwenden, hierbei kommen insbesondere signaltheoretische wie direktmessende Verfahren in Frage.
Ein signaltheoretischer Ansatz kann dabei durch Durchführung folgender Schritte verfolgt werden:

– Frequenzfilterung;
– Frequenztransformationen des zeitlichen Verlaufs der Messkomponente zur Ermittlung eines Frequenzspektrums;
– Erkennung der amplitudenstärksten Komponente des frequenzgefilterten Frequenzspektrums als Rotordrehzahl ω_r durch eine Frequenzbestimmungseinrichtung.

Mit anderen Worten nimmt die Drehzahlbestimmungseinrichtung zuerst eine Frequenzfilterung vor, um das Frequenzband, in dem die vermutete interessante Rotordrehfrequenz liegt, herauszufiltern. Dies kann mit Hilfe analoger Bauteile geschehen, jedoch ist es äquivalent möglich diese Frequenzfilterung nach der Frequenztransformation im Frequenzbereich vorzunehmen, um beispielsweise mit Hilfe digitaler Filter den Frequenzbereich auszuschneiden. Wird die Frequenzfilterung mit analogen Bauteilen vorgenommen, so schließt sich hier nach einer Frequenztransformation beispielsweise ein DFT oder FFT-Verfahren an, um die zeitabgetasteten zeitlichen Daten in ein frequenzabgetastetes Spektrum zu überführen. Innerhalb des frequenzdiskreten Spektrums übernimmt eine Frequenzbestimmungseinrichtung die Bestimmung der Rotordrehzahl ω_r. Dies kann beispielsweise durch Filterung der amplitudenstärksten Komponente im Frequenzspektrum geschehen.
Die Drehzahlbestimmungseinrichtung kann prinzipiell beliebig aufgebaut sein und die unterschiedlichsten Bestimmungsverfahren zur Ermittelung der dynamischen Größen anwenden. Besonders vorteilhaft erscheint es jedoch, die Drehzahlbestimmungseinrichtung nach vorstehendem Ausführungsbeispiel als digitale Signalverarbeitungseinheit aufzubauen, die die notwendigen mathematischen Operationen insbesondere Frequenztransformationen, Frequenzfilterungen, Frequenzbestimmungen mittels eines numerischen Verfahrens, insbesondere FFT oder DFT durchführt. Dabei bietet sich besonders eine DFT-Verarbeitung aufgrund der geringen numerischen Komplexität und geringen Totzeit an, so dass eine Veränderung der dynamischen Größen schnell erkannt werden kann. Zur technischen Umsetzung stehen eine große Breite von digitalen Signalprozessoren (DSPs) oder Mikrocontrollern und numerischen Verfahren zur Verfügung, die preisgünstig und effizient eine Frequenzanalyse ermöglichen.
Alternativ zu obigem signaltheoretischen Verfahren kann eine ausgezeichnete Möglichkeit einer direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung folgende Verfahrensschritte durchführen, wobei sie sich bei der Berechnung der dynamischen Größen auf eine Radial-F_r und eine Tangentialkomponente F_φ des ersten Messsensors stutzt:

– Koordinatentransformation der Radialkomponente F_r und der Tangentialkomponente F_φ. des Messkoordinatensystems als Eingangsgröße in Komponenten F_x, F_y des Festkoordinatensystems mithilfe eines errechneten Rotorwinkels φ_r;
– Bestimmung einer Regelabweichung Δ aus den Komponenten F_x, F_y;
– Bestimmung der Rotordrehzahl ω_r aus der Regelabweichung Δ;
– Berechnung des Rotorwinkels φ_r als Regelgröße durch Integration der Rotordrehzahl ω_r;
– Berechnung einer Fliehkraft F_c = ω 2 / r·m·r und Subtraktion der berechneten Fliehkraft F_c von der Radialkomponente F_r;
– Rückführung der Rotordrehwinkel φ_r in die Koordinatentransformation.

Durch dieses einem phased-locked loop ähnlichem Verfahren wird der bestimmte Rotorwinkel φ_r und die Rotordrehzahl ω_r entsprechend der bereits oben diskutierten Vorrichtung so eingestellt, dass eine nahezu Totzeitlose Bestimmung der dynamischen Größen möglich ist. Eine technische Umsetzung dieses Verfahrens kann mittels analoger als auch digitaler Schaltungstechnik vorgenommen werden.
Um eine möglichst schnelle und präzise Nachführung der dynamischen Größen des vorstehend diskutierten direktmessenden Bestimmungsverfahren zu erreichen ist es vorteilhaft, eine PI-Regelung oder darauf aufbauende Regelung zu verwenden, da der P-Anteil eine schnelle Reaktion gewährleistet, während der I-Anteil ein asymptotisches Nachführverhalten ohne Schwingungsneigung garantiert.
Die ermittelten Messkomponenten des Messsensors enthalten neben Informationen über die Rotordrehzahl weitere Daten über sekundäre dynamische Zustände der Wind- oder Wasserkraftanlage. Dies können beispielsweise Eigenschwingungen der Gesamtkonstruktion der Kraftanlage sein, des Weiteren Schwingungskomponenten oder Störgrößen aufgrund von Kraftbelastungen der Anlage durch übermäßige Wind- oder Wasserströmung. Störsignale aufgrund fehlerhafter Lager etc.. Diese sekundären dynamischen Zustände im zeitlichen Verlauf der Messkomponente können mit Hilfe der Frequenzanalyse bestimmt werden, und zur Steuerung der übergeordneten Steuereinheit oder einem Pitch-Regler übermittelt werden. Dabei ist es möglich, dass die übergeordnete Steuereinheit oder der Pitch-Regler auf die ermittelten sekundären dynamischen Größen entsprechend reagiert, wie beispielsweise eine Notfahrt bei zu hoher mechanischer Belastung oder der Anzeige einer Störung bei einer defekten Lagerwelle.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand lediglich Ausführungsbeispiele zeigender Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 in schematischer Dreitafelprojektion die Anordnung des Messsensors innerhalb einer Windkraftanlage gemäß einer Ausführungsform;
2 in schematischer Darstellung eine Radial- und eine Tangentialanordnung eines Messsensors einer Ausführungsform;
3 Blockschaltbilder möglicher Ausführungsform der Messvorrichtung;
4 die Lage des bewegten Messkoordinatensystems und des Fixkoordinatensystems einer Ausführungsform;
5 Zeit- und Frequenzbereichsdarstellung einer Messkomponente eines Tangentialsensors einer Ausführungsform;
6 Zeit- und Frequenzbereichsdarstellung einer Messkomponente eines Radialsensors einer Ausführungsform;
7 Zeit- und Frequenzbereichsdarstellung einer Messkomponente eines Radialsensors unter Störeinfluss einer Ausführungsform;
8 Blockschaltbilder des Aufbaus einer auf Signaltheorie basierenden Drehzahlbestimmungseinrichtung einer Ausführungsform
9 in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Rotors mit einem Radial-, einem Tangential- und einem Mischkomponentensensor einer Ausführungsform;
10 Blockschaltbilder des Aufbaus einer direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung einer Ausführungsform
1 zeigt in einer schematischen Dreitafelprojektion die Anordnung von Messsensoren 06 innerhalb einer Windkraftanlage 01. Dabei zeigt 1a eine Vorderansicht der Windkraftanlage 01, 1b eine Seitenansicht, und 1c eine Draufsicht. Die Windkraftanlage 01 besteht aus einem Turm 02, auf dem eine Gondel 03 drehbar angeordnet ist. Diese Gondel 03 kann sich, wie mit den Bewegungspfeilen 09 und 10 dargestellt, sowohl in der horizontalen Ebene drehen (Gondel-Azimut) als auch in der vertikalen Ebene (Gondel-Elevation) bewegen, um die Rotorachse in Richtung Windstrom auszurichten. Innerhalb der Gondel 03 ist die Rotorwelle 05 gelagert. An der Nabe der Rotorwelle 05 sind drei Rotorblätter 04 angeordnet. Diese Rotorblätter 04 sind in ihrem Rotorblatt-Pitch 08 veränderbar, d. h. der Anstellwinkel (Pitch) des Rotorblatts zum Luftstrom, d. h. relativ zur Rotorblattachse ist veränderbar. Damit sind die drei grundlegenden Freiheitsgrade der Windkraftanlage 01 definiert: Rotorblatt-Pitch 08, Gondel-Elevation 09 und Gondel-Azimut 10. In der dargestellten Anordnung ist ein Messsensor 06 in der Rotorblattwurzel, d. h. im Pitch-Regler eines Rotorblatts und somit im Pitchsystem untergebracht. Er misst die Rotordrehzahl ω_r indirekt, indem er auftretende Kräfte erfasst, die in einem nachfolgenden Berechnungsverfahren in einer Recheneinheit 12 durch eine Drehzahlbestimmungseinrichtung 38 ausgewertet werden, um aus den periodisch auftretenden Kraftschwankungen die Rotordrehzahl zu extrahieren.
Die 2 zeigt in schematischer Darstellung zwei mögliche Ausrichtungen eines Messsensors 25, 26 an einem Rotorblatt 04 einer Windkraftanlage 01. An der Rotorwelle 05 einer Windkraftanlage 01 sind drei Rotorblätter 04 angebracht. Diese drehen sich in Rotordrehrichtungen 07. Pitch-Regler befinden sich grundsätzlich an der Wurzel jedes Rotorblatts 04, insbesondere im Pitch-Regler, sind jedoch in dieser Darstellung aus Anschaulichkeitsgründen in radialer Richtung nach außen ins Rotorblatt versetzt dargestellt worden. Innerhalb eines Pitch-Reglers ist in 2a ein Radialsensor 25 angeordnet. Dieser Radialsensor 25 misst die radial auftretenden Beschleunigungskräfte F_ges.
Eine weitere Anordnungsmöglichkeit des Messsensors 26 ist in 2b dargstellt. Hierbei wird ein Tangentialsensor 26 so im Pitchsystem eines Rotorblatts 04 angeordnet, dass er Winkelkräfte F_ges in tangentialer Richtung, das heißt in Winkelrichtung der Rotordrehrichtung 07 misst.
Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass der in 2a dargestellte Radialsensor 25 neben den periodisch auftretenden Gravitationskräften noch Fliehkräfte des sich bewegenden Rotorblatts 04 aufnimmt. Somit weist der zeitliche Verlauf der Messkomponente ein Offset auf, der von der Zentrifugalkraft rührt.
In 3 sind zwei Blockschaltbilder möglicher Ausführungsformen der Messvorrichtung dargestellt. In 3a nimmt ein Kraftsensor 11, der an einem Rotorblatt einer Windkraftanlage angeordnet ist, einen zeitlichen Verlauf einer Messkomponente auf und übermittelt dies mittels einer Datenverbindung 18 an eine Recheneinheit 12. Diese Datenverbindung 18 kann entweder drahtgebunden oder auch drahtlos erfolgen. Innerhalb der Recheneinheit 12 ist eine nicht dargestellte Drehzahlbestimmungseinrichtung vorgesehen, die mittels des zeitlichen Verlaufs der Messkomponente die Rotordrehzahl ω_r bestimmt, und diese Information über eine Datenverbindung zwischen Recheneinheit und Pitch-Regler 19 an einen Pitch-Regler 13 übermittelt. Der Pitch-Regler 13 regelt die Winkeleinstellung des Rotorblatts gegenüber dem Luftstrom in Abhängigkeit der Rotordrehzahl, um zum einen eine Überdrehung bei zu hoher Windlast zu vermeiden, zum anderen einen optimalen Wirkungsgrad bei geringen Windströmungen zu erreichen.
3b zeigt eine Ausführungsform, in der zwei Messsensoren beispielsweise eines zweirädrigen Windkraftrades 11 vorgesehen sind. Die beiden Messsensoren 11 übermitteln ihre zeitlichen Verläufe der Messkomponenten über Datenverbindungsleitung 18 zwischen Messsensor und Recheneinheit an einer Recheneinheit 12. Innerhalb der Recheneinheit 12 werden die Messkomponenten in die Rotordrehzahl ω_r. umgerechnet, und die Messdaten eines direkt messenden Sensors 17, der über einer Datenverbindung 24 zwischen direktem Sensor und Recheneinheit mit der Recheneinheit 12 verbunden ist, zur Fehlerberechnung und Korrektur berücksichtigt. Die Recheneinheit 12 bestimmt aus den zeitlichen Verläufen der Messkomponente der beiden Messsensoren 11 und dem direkten Drehzahlsignal des direkt messenden Sensors 17 eine fehlereliminierte Rotordrehzahl ω_r. Diese dynamische Größe wird von der Recheneinheit 12 an eine übergeordnete Steuerung 16 durch eine Datenverbindung 20 zwischen Recheineinheit und Steuereinheit übermittelt. Innerhalb der übergeordneten Steuereinheit 16 wird auf Basis der dynamischen Größen eine Regelung der gesamten Kraftanlage vorgenommen. So steuert die Steuerung 16 über eine Datenverbindung zwischen Steuereinheit und Pitch-Regler 13 den Pitch der einzelnen Rotorblätter. Über eine Datenverbindung 22 zwischen Steuereinheit und Elevations-Regler 14 die Elevation der Gondel, und über eine Datenverbindung 23 zwischen Steuereinheit und Azimut-Regler 15 den Azimut der Gondel. Die 3b zeigt somit ein äußerst redundant ausgelegtes und damit ausfallsicheres System zur Gesamtregelung einer Kraftanlage, die dynamische Größen auf mehreren unabhängigen Wegen ermittelt und die Gesamtanlage steuert.
4 zeigt die Lage der verschiedenen verwendeten Koordinatensysteme. An der Achse der Rotorwelle 05 ist ein Fixkoordinatensystem 41 mit den Koordinatenachsen X und Y eingezeichnet. Um die Achse der Rotorwelle 05 dreht sich ein Kraftsensor 06 im Abstand r um die Achse der Rotorwelle 05. Der Kraftsensor 06 bestimmt eine Gesamtkraft F_ges die sich aus den beiden Kraftkomponenten F_r in radialer Richtung und F_φ in tangentialer Richtung zusammensetzt. Die beiden vektoriellen Teilkräfte F_r, F_φ, die die Gesamtkraft F_ges ergeben, werden im mitbewegten Messkoordinatensystem 40, dass die Achsen e ⇀_r, e ⇀_φ, aufweist, gemessen.
5 zeigt eine Zeit- und Frequenzbereichsdarstellung einer aufgenommenen Messkomponente eines Messsensors, die in tangentialer Richtung misst, analog zur Anordnung des Tangentialsensors 26 in 2a. Hierzu ist das sich mit dem Rotor drehende Messkoordinatensystem 40 dargestellt, wobei der Messsensor in φ-Richtung misst. In 5a ist der zeitliche Schwingungsverlauf F_ges(t) eines konstant drehenden Rotors aufgezeichnet. An jeweils ausgezeichneten Punkten ist schematisch die Lage des Rotorblatts eingezeichnet, wobei nachfolgend die Lage des sensortragenden Rotorblatts im X/Y-Fixkoordinatensystem 41 angegeben is. So bezeichnet die Position A eine horizontale Lage des Rotorblatts nach rechts (X+), die Position B ein vertikal in Richtung Erdboden zeigendes Rotorblatt (Y–), die Position C ein horizontal nach links zeigendes Rotorblatt (X–), und die Position D ein vertikal nach oben zeigendes Rotorblatt (Y+). Der zeitliche Verlauf der Messkomponente weist dabei keine Störeinflüsse und keine Beschleunigung, die sich durch eine erhöhte Frequenz ausdrücken wurde, auf.
5b zeigt die Frequenzbereichsdarstellung des Zeitsignals der 5a. Deutlich erkennbar im Frequenzspektrum ist die an der Rotordrehfrequenz ω_r 30 auftretende Amplitudenspitze F_r zu sehen. Sie markiert die Frequenz des Zeitsignals und entspricht dabei gerade der Drehfrequenz ω_r 30 des Rotors.
In einer analogen Darstellung wie in 5 wird in 6 der Zeit- und den Frequenzverlauf eines radial messenden Messsensors dargestellt, der wie in dem Messkoordinatensystem 41 dargestellt, in r-Richtung misst. Hierbei zeigt 6a den Zeitverlauf F_ges(t) des Messsensors einer periodischen Schwingung, die um einen Offset F_c von der Nulllinie versetzt ist. Der Radialsensor 25, der wie in 2a dargestellt angeordnet ist, misst neben den wechselnden Gravitationskräften einer Zentrifugalkraft F_c, die im Fall einer gleichmäßigen Drehung des Rotors konstant bleibt. Widerrum sind im Zeitverlauf der 6a ausgezeichnete Positionen des Rotorblatts im X/Y-Fixkoordinatensystem 41 dargestellt: So zeigt die Position A ein horizontal nach rechts ausgerichtetes Rotorblatt (X+), die Position B ein vertikal nach unten in Richtung Erdmittelpunkt zeigendes Rotorblatt (Y–), die Position C ein horizontal nach links ausgerichtetes Rotorblatt (X–), und die Position D ein vertikal nach oben gerichtetes Rotorblatt (Y+). Die Frequenzbereichsdarstellung des zeitlichen Verlaufs der 6a ist in 6b dargestellt. Neben der ausgezeichneten Rotordrehzahlfrequenz ω_r lässt sich ein Gleichanteil F_c 31 mit der Frequenz 0 erkennen, dessen Amplitude die Größe der Zentrifugalkraft bestimmt. Im Falle einer Beschleunigung oder Abbremsung des Rotors würde sich diese im Nebenspektrumssignal um den Nullpunkt der Frequenzachse ausdrücken.
Letztlich zeigt 7 in entsprechender Darstellung einen typischen Messverlauf einer Messkomponente eines radial messenden Messsensors 25, wie in 2a dargestellt. Der Messsensor misst die Kraftkomponente in r-Richtung des mitbewegten Messkoordinatensystems 40, wobei die ausgezeichneten Lagen A bis D des sensortragenden Rotorblatts im X/Y-Fixkoordinatensystem 41 dargestellt sind. Der zeitliche Verlauf F_ges(t) des Messsensors 25 ist stark verrauscht, und weist abnehmende Amplituden sowie einen sich verringerten Gleichanteil auf. Der verringernde Gleichanteil, der auf die Zentrifugalkräfte zurückzuführen ist, sowie die abnehmende Amplitude des Schwingungsanteils des Messsignals F_ges(t) rührt von einer Abbremsbewegung des Rotorblatts. Letztlich sind in der Frequenzbereichsdarstellung der 7b verschiedene Nebenfrequenzen im Frequenzspektrum zu erkennen, die teilweise vom Rauschanteil des Messsignals herrühren. Deutlich ist im Spektrum die ausgezeichnete Drehfrequenz ω_r des Rotorblatts, die sich durch die höchste Amplitude auszeichnet. Zum anderen ist ein um den Gleichanteil mit der Frequenz 4 ausbreitender Frequenzbereich, der die sich verringernde Rotordrehzahl einer Abbremsbewegung indiziert, und eine Frequenzkomponente ω_e 32, die von einer Eigenschwingung der Gesamtkonstruktion herrührt, erkennbar. Des Weiteren lassen sich eine große Zahl höherer Frequenzanteile ω₁ bis ω₄ ausmachen, die auf Rauschen, Bauteileigenfrequenzen und Anderem zurückzuführen sind.
In 8 sind Blockschaltbilder verschiedener Ausführungsmöglichkeiten einer auf signaltheoretischen Verfahren basierenden Drehzahlbestimmungseinrichtung 38 dargestellt. 8a zeigt dabei eine Drehzahlbestimmungseinrichtung 38, in der das Zeitsignal einer Messkomponente F_ges(t) eingeben wird, dieses mit Hilfe eines Bandpasses 34 vorgefiltert wird, anschließend durch einen DFT-Algorithmus in einer Frequenztransformationseinrichtung 36 in den Frequenzbereich transformiert wird, um anschließend in der Frequenzbestimmungseinrichtung 37 analysiert zu werden. Die Frequenzbestimmungseinrichtung 37 ist so eingestellt, dass sie die Rotordrehfrequenz ω_r aus einer Vielzahl von Frequenzen bestimmen kann. Dies geschieht üblicherweise durch Analyse der amplitudenstärksten Frequenzkomponente.
8b zeigt einen komplexeren Aufbau einer Drehzahlbestimmungseinrichtung 38, die im oberen Strang identisch zur 8a eine Frequenzfiltereinrichtung 34, eine Frequenztransformationseinrichtung 36 und eine Frequenzbestimmungseinrichtung 37 zur Bestimmung der Rotordrehfrequenz ω_r aufweist. Daneben wird das gemessene Zeitsignal der Messkomponente F_ges(t) in einem weiteren Analysestrang der Drehzahlbestimmungseinrichtung 38 eingespeist, in der eine Frequenzvorfilterung durch einen Tiefpass 35 erfolgt, danach eine Frequenztransformation durch eine Frequenztransformationseinrichtung 36 durchgeführt wird und eine Frequenzbestimmung durch eine Frequenzbestimmungseinrichtung 37 erfolgt, die in dem frequenzlimitierten Frequenzbereich die Eigenschwingung als amplitudenstärkste Komponente extrahiert. Somit lassen sich neben der Rotordrehzahl sekundäre dynamische Größen ermitteln, die für die Steuerung der Gesamtkraftanlage wichtig sein können.
Des weiteren zeigt 9 in einer schematischen Darstellung eine Windkraftanlage 01, die eine Gondel 03 umfasst, die eine Rotorwelle 05 aufweist, an der drei Rotorblätter 04 angebracht sind. Die Rotorwelle 05 dreht sich in der dargestellten Rotordrehrichtung 07. An der Wurzel jedes Rotorblatts 04 sind Messsensoren 06 angebracht, wobei an dem ersten Rotorblatt ein Tangentialsensor 26 angeordnet ist, der die Kraft F_ges1 misst, am zweiten Rotorblatt ein Radialsensor 25 angeordnet ist, der die Komponente F_ges2 misst, und am dritten Rotorblatts ein Mischkomponentensensor 39 angeordnet ist, der die Messkomponente F_ges3 misst. Der Mischkomponentensensor 39 ermittelt dabei eine Messkomponente, die einen radialen und auch tangentialen Komponentenanteil beinhaltet. Die Messkomponenten der drei Messsensoren 25, 26, 39 können dabei an jeweils drei unabhängig voneinander arbeitende Recheneinheiten übermittelt werden, oder auch an eine einzelne Recheneinheit übertragen oder an eine einzelne Steuereinheit übergeben werden. Durch das Vorliegen dreier unabhängiger Messkomponenten dreier verschiedener Messsensoren können zum Zweck der Fehlereliminierung und Redundanz die dynamischen Größen auf verschiedenen Wegen berechnet, bzw. korrigiert werden. Eine Anordnung mehrerer voneinander unabhängiger Messsensoren, beispielsweise ein Messsensor und eine Recheneinheit pro Pitch-Regler, ermöglicht einen äußerst zuverlässigen Betrieb der Vorrichtung.
Schliesslich zeigt 10 Blockschaltbilder dreier Ausführungsbeispiele einer direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung 48, die auf einer zweifach rückgekoppelten Nachführregelung des Drehwinkels φ_r und Drehzahl,. beruht. In 10a ist ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Drehzahlbestimmungseinrichtung 48 dargestellt, das Radial-F_r und Tangentialkomponente F_φ eines ersten Messsensors empfängt. Mit Hilfe der Koordinatentransformationseinrichtung 42 werden die beiden Messkomponenten F_r, F_φ des mit dem Messsensor mitbewegten Messkoordinatensystems 40 in Komponenten F_x, F_y des ortsfesten Fixkoordinatensystems 41 umgewandelt. Hierzu empfangt die Koordinationstransformationseinrichtung 42 die Information des berechneten Rotorwinkels φ_r rückgekoppelt vom Ausgang der Drehzahlbestimmungseinrichtung 48. Im Fall, dass der Messsensor nicht exakt die Radial- und Tangentialkomponente F_r, F_φ misst, kann durch die Koordinatentransformationseinrichtung 42 eine ungenaue Ausrichtung des Messsensors unter Berücksichtigung eines Korrekturwinkels korrigiert werden. Die Komponenten F_x, F_y im Fixkoordinatensystem 41 haben unter Annahme einer exakten Koordinatentransformation, also unter der Annahme einer exakten Übereinstimmung von φ_r mit dem tatsächlichem Rotorwinkel φ und von ω_r mit der tatsächlichen Rotordrehzahl ω die Eigenschaft, dass F_x = 0 und F_y = m·g gilt, d. h. keine horizontalen Kräfte auftreten und die vertikale Kraft gleich der Gewichtskraft der Bezugsmasse des Messsensors ist. Dies kann jedoch nur sichergestellt werden, wenn zuvor aus der Radialkomponente die Fliehkraft F_c = m·g·ω² subtrahiert wird. Hierzu wird ebenfalls vom Ausgang der Drehzahlbestimmungseinrichtung 48 rückgekoppelt die Rotordrehzahl ω_r über ein Quadrierglied 46 in ω² überführt und durch das P-Glied 45 mit der Konstante m·g mit m Bezugsmasse des Messsensors und g Erdbeschleunigung (im Mittel g = 9.81 m/s²) skaliert. Die berechnete rückgeführte Zentrifugalkraft wird von der Radialkomponente vor der Eingabe in das Koordinatentransformationsglied 42 subtrahiert. Somit weist der regelungstechnische Aufbau der Drehzahlbestimmungseinrichtung 48 zwei Rückführungszweige auf, so dass eine Regelabweichung Δ basierend auf den obigen Eigenschaften F_x = 0 und F_y = m·g der Fixkomponenten mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Ausgehend von der Regelabweichung Δ bestimmt der Regler 43, der vorteilhafterweise ein PI-Regelverhalten aufweisen kann, die berechnete Rotordrehzahl ω_r. Diese wird, wie zuvor beschrieben, zur Elimination der Fliehkraft rückgeführt und des Weiteren von der Drehzahlbestimmungsvorrichtung 48 ausgegeben. Daneben wird sie einem Integrator 44 zugeführt, der sie zum Drehwinkel
aufintegriert. Dieser wird ebenfalls am Ausgang der Drehzahlbestimmungseinrichtung 48 ausgegeben und zur Koordinatentransformationseinrichtung 42 rückgeführt.
10b zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführung einer direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung 48. Sie baut im wesentlich auf dem in 10a gezeigten Ausführungsbeispiel auf, weist jedoch ein zwischen der Koordinatentransformationseinrichtung 42 und Regler 43 zwischengeschaltetes Tiefpassfilter 35 auf. Nimmt man an, dass die dynamischen Größen φ_r, ω_r nur wenig von den tatsächlichen Gräben φ, ω abweichen und folglich der Regelkreis der Drehzahlbestimmungseinrichtung 48 nachregelt, kann es zur Überregelung kommen, d. h. es tritt ein Schwingverhalten ein. Dieses Nachregeln passiert in sehr schneller Folge, d. h. es stellt sich eine hohe Überregelfrequenz ein. Diese hohe Überegelfrequenz kann durch das optionale Filter 35 unterdrückt werden. Des Weiteren dient das Filter 35 zur Unterdrückung weiterer, die Ausgangsgrößen φ_r, ω_r. überlagernder Frequenzen.
Letztlich zeigt 10c ein Blockschaltbild eines weiteres Ausführungsbeispiel einer direktmessenden Drehzahlbestimmungseinrichtung 48. Diese baut auf dem in 10b dargestellten Blockschaltbild auf und erweitert dies durch ein gesondertes Regelabweichungsbestimmungsglied 47. Bereits im Rahmen der Beschreibung des in 10a gezeigten Ausführungsbeispiel der Drehzahlbestimmungseinrichtung 48 wurde auf die Verwendung besonderer Eigenschaften der Fixkoordinaten-Komponenten F_x, F_y zur Bestimmung der Regelabweichung Δ hingewiesen. Das Regelabweichungsbestimmungsglied 47 übernimmt folglich die Aufgabe, aus den Fixkoordinatenkomponenten F_x, F_y, die Regelabweichung Δ zu berechnen. Hierzu können vielfältige Bestimmungsgleichungen verwendet werden, ein einfaches Beispiel hierzu stellt die Gleichung Δ = F_x + F_y – m·g dar.

Claims

Vorrichtung zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Wind- oder Wasserkraftanlage (01), die eine Rotorwelle (05), mindestens einen ersten Messsensor (06, 25, 26, 39), der mittelbar oder unmittelbar an der Rotorwelle (05) angeordnet ist und mit der Rotorwelle (05) rotiert, und eine Recheneinheit (12) umfasst, wobei der erste Messsensor (06, 25, 26, 39) und die Recheneinheit (12) im Pitchsystem der Wind- oder Wasserkraftanlage (01) angeordnet ist und mindestens eine erste Messkomponente (27, 29) einer originären Vektorgröße Kraft oder Beschleunigung F → in einem mit der Achse der Rotorwelle (05) rotierenden Messkoordinatensystem (40) erfasst, wobei der Messsensor (06, 25, 26, 39) zum Austausch von Daten mit der Recheneinheit (12) verbunden ist und die Recheneinheit (12) aus der Messkomponente zumindest die Rotordrehzahl ω_r (30) der Rotorwelle (05) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (06, 25, 26, 39) ein Beschleunigungssensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (06, 25, 26, 39) ein Kraftsensor (11) ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (06, 25, 26, 39) eine erste und eine zweite Messkomponente im Messkoordinatensystem (40) misst, wobei vorzugsweise die erste Messkomponente rechtwinklig zur zweiten Messkomponente ist und beide Messkomponenten in einer Rotationsebene der Rotorwelle (05) liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messkomponente die Radialkomponente (29) und die zweite Messkomponente die Tangentialkomponente des Messsensors ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messsensor (06, 25, 26, 39) im Antriebssystem eines Pitch-Reglers (13) des Pitchsystems integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (06, 25, 26, 39) die Messkomponente (27, 29) drahtlos an die Recheneinheit (12) übermittelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Recheneinheit (12) umfasste Drehzahlbestimmungseinrichtung (38, 48) mindestens eine Frequenzfiltereinrichtung (34, 35) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Recheneinheit (12) umfasste Drehzahlbestimmungseinrichtung (38) mindestens eine Frequenztransformationseinrichtung (36) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Recheneinheit (12) umfasste Drehzahlbestimmungseinrichtung (38) mindestens eine Frequenzbestimmungseinrichtung (37) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine in der Recheneinheit (12) umfasste Drehzahlbestimmungseinrichtung (48) ein Koordinatentransformationsglied (42), einen Regler (43), einen Integrator (44), ein P-Glied (45) und ein Quadrierglied (46) umfasst, wobei die Drehzahlbestimmungseinrichtung (48) die Radialkomponente F_r (29) und die Tangentialkomponente F_φ (27) des Messkoordinatensystems (40) mittels des Koordinatentransformationsglieds (42) in Komponenten F_x, F_y, des Festkoordinatensystems (41) transformiert, aus den Komponenten F_x, F_y eine Regelabweichung Δ bestimmt, aus der mittels des Reglers (43) die Rotordrehzahl ω_r bestimmt wird, aufgrund der der Rotorwinkel φ_r mittels des Integrators (44) berechnet wird, wobei aus der Rotordrehzahl ω_r mittels des P-Glieds (45) und des Quadrierglieds (46) ein berechneter Fliehkraftanteil bestimmt wird, der rückgeführt den Fliehkraftanteil der Radialkomponente F_r (29) eliminiert und der Rotordrehwinkel φ_r als Rückführgröße des Koordinatentransformationsglied (42) einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlbestimmungseinrichtung (48) des Weiteren ein Regelabweichungsbestimmungsglied (47) umfasst, das aus den Komponenten F_x, F_y des Festkoordinatensystems (41) die Regelabweichung Δ bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (43) ein PI-Regler ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (12) mit mindestens einem Pitch-Regler (13) des Pitchsystems verbunden ist, um den Pitch-Regler (13) in Abhängigkeit der ermittelten Rotordrehzahl (30) zu steuern.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (12) im Antriebssystem eines Pitch-Reglers (13) des Pitchsystems integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (12) der Prozessrechner des Pitchsystems ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch das Pitchsystem mit Energie versorgt wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (12) mit mindestens einer übergeordneten Steuereinheit (16) der Wind- oder Wasserkraftanlage (01) zum Austausch von Daten verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Steuereinheit (16) in Abhängigkeit der Daten der Recheneinheit (12) Stellgrößen wie Rotorblatt-Pitch (08), Gondel-Elevation (09) oder Gondel-Azimut (10) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (12) drahtlos Daten an die übergeordnete Steuereinheit (16) und/oder den Pitch-Regler (13) übermittelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Messsensor (25, 26, 39) im Pitchsystem angeordnet ist, wobei der zweite Messsensor (25, 26, 39) mindestens eine dritte Messkomponente (27, 29) misst, und die dritte Messkomponente (27, 29) entweder an die Recheneinheit (12), an eine zweite Recheneinheit oder an die übergeordneten Steuereinheit (16) zur Steuerung von Rotorblatt-Pitch (08), Gondel-Elevation (09) oder Gondel-Azimut (10) übermittelt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen weiteren Messsensor (17) umfasst, der mit der Recheneinheit (12) und/oder der übergeordneten Steuereinheit (16) verbunden ist, und der dynamische Größen direkt misst.
Verfahren zur indirekten Bestimmung dynamischer Größen einer Wind- oder Wasserkraftanlage (01) mit Rotorwelle (05) dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: – Messung von mindestens einer ersten Messkomponente (27, 29) einer originären Vektorgröße Kraft oder Beschleunigung F → in einem mit der Achse der Rotorwelle (05) rotierenden lokalen Messkoordinatensystem (40) durch mindestens einem mittelbar oder unmittelbar an der Achse der Rotorwelle (05) angeordneten und mitrotierenden ersten Messsensor (06, 25, 26, 39); – Übermittlung der ersten Messkomponente (27, 29) an eine Recheneinheit (12); – Berechnung zumindest der Rotordrehzahl ω_r (30) aus der ersten Messkomponente (27, 29) der originären Vektorgrößen F → durch die Recheneinheit (12).
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Messkomponente durch den ersten Messsensor (06, 25, 26, 39) gemessen wird, die ebenfalls von der Recheneinheit (12) zur Berechnung der dynamischen Größen genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messkomponente eine Radialkomponente F_r (29) und die zweite Messkomponente eine Tangentialkomponente F_φ (27) ist.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die erste oder zweite Messkomponente zum Zweck der Redundanz und Fehlerelimination in der Berechnung berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine dritte Messkomponente durch einen zweiten Messsensors (25, 26, 39) gemessen wird, die entweder von der Recheneinheit (12), von einer zweiten Recheneinheit oder einer übergeordneten Steuereinheit (16) zur Berechnung der dynamischen Größen, insbesondere zu Zwecken der Redundanz oder Fehlerelemination genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass aus mindestens der ersten Messkomponente (27, 29), der zweiten Messkomponente (27, 29) oder der dritten Messkomponente (27, 29) durch die Recheneinheit (12) mindestens einer der dynamischen Größen Drehbeschleunigung α_r, und Drehwinkel φ_r der Rotorwelle (05) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der dynamischen Größen Messdaten mindestens ein weiteren Messsensors (17) berücksichtigt, wobei der Messsensor (17) die dynamischen Größen direkt misst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung die Messdaten des direkt messenden Messsensors (17) zur Korrektur der durch die indirekte Messung ermittelten dynamischen Größen nutzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten dynamischen Größen von der Recheneinheit (12) an eine übergeordnete Steuereinheit (16) übermittelt werden, die auf Basis der dynamischen Größen Stellgrößen wie Rotorblatt-Pitch (08), Gondel-Elevation (09) oder Gondel-Azimut (10) steuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten dynamischen Größen von der Recheneinheit (12) an einen Pitch-Regler (13) eines Rotorblatts (04) übermittelt werden, der auf Basis der dynamischen Größen den Rotorblatt-Pitch (08) steuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Drehzahlbestimmungseinrichtung (38) folgende Schritte umfasst: – Frequenzfilterung (34, 35); – Frequenztransformation (36) des zeitlichen Verlaufs der Messkomponente zur Ermittlung eines Frequenzspektrums; – Erkennung der amplitudenstärksten Komponente des frequenzgefilterten Frequenzspektrums als Rotordrehzahl ω_r (30) durch eine Frequenzbestimmungseinrichtung (37).
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung die notwendigen mathematischen Operationen der Frequenzanalyse, insbesondere Frequenztransformation, Frequenzfilterung, Frequenzbestimmung etc. mittels eines numerischen Verfahrens wie beispielsweise FFT oder DFT durchführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Drehzahlbestimmungseinrichtung (38) folgende Schritte umfasst: – Koordinatentransformation der Radialkomponente F_r (29) und der Tangentialkomponente F_φ (27) des Messkoordinatensystems (40) als Eingangsgröße in Komponenten F_x, F_y des Festkoordinatensystems (41) mithilfe eines errechneten Rotorwinkels φ_r; – Bestimmung einer Regelabweichung Δ aus den Komponenten F_x, F_y; – Bestimmung der Rotordrehzahl ω_r aus der Regelabweichung Δ; – Berechnung des Rotorwinkels φ_r als Regelgröße durch Integration der Rotordrehzahl ω_r; – Berechnung einer Fliehkraft F_c = ω 2 / r·m·r und Subtraktion der berechneten Fliehkraft F_c von der Radialkomponente F_r (29); – Rückführung der Rotordrehwinkel φ_r in die Koordinatentransformation.
Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Rotordrehzahl ω_r aus der Regelabweichung Δ mithilfe einer PI-Regelung erfolgt;
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Messkomponente des Messsensors (06, 25, 26, 39) zusätzliche Informationen über einen sekundären dynamischen Zustand der Wind- oder Wasserkraftanlage (01), insbesondere Eigenschwingungsverhalten (32), Biegeverhalten und ähnliches ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen über den sekundären dynamischen Zustand der Wind- oder Wasserkraftanlage (01) zu Steuerungszwecken an eine übergeordnete Steuereinheit (16) oder einen Pitch-Regler (13) übermittelt werden.