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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Windparktechnologie, und im Besonderen
einen Windpark mit einem Windparksteuerungssystem, durch das alle
Windturbinen in den Windpark synchron arbeiten können. Die vorliegende Erfindung
ist besonders zur Verwendung in einem Windpark in der Nähe eines Lastzentrums
geeignet.
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2. Beschreibung der diesbezüglichen
Technik
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Um
unsere Abhängigkeit
von fossilen Brennstoffen zu vermindern und eine globale Erwärmung zu
verhindern, ist seit dem späten
letzten Jahrhundert die Verwendung von erneuerbaren Energien, wie
etwa Wasserkraft-, Wind-, Solar-, Biomasse-, geothermische, Meeresenergie
usw. gefördert
worden, wobei man annimmt, dass die Windenergie das größte Potential
für eine
großtechnische
Entwicklung hat. In den letzten Jahren sind die global installierte
Kapazität
und der industrielle Maßstab
der Windenergie auf einer ziemlich hohen Wachstumsrate gehalten worden.
Man geht davon aus, dass der Trend zumindest über die nächsten zehn Jahre anhalten
wird.
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Da
die Windenergie eine vorwiegend erneuerbare Energiequelle ist, erzeugt
sie während
des Umwandlungsprozesses keine Verschmutzung, ist abgasfrei und
kostengünstig.
Jedoch haben die ständig
zunehmenden Größen von
großtechnischen Windturbinen
und durch die Windturbinen gebildeten Windparks nachteilige Auswirkungen
auf die natürliche
und menschliche Umgebung, wie etwa optische Beeinträchtigung,
akustische Verschmutzung, elektromagnetische Interferenz, öffentliche
Sicherheit, Beeinträchtigung
der Tierwelt, des Tourismus sowie Interessen des Gemeinwesens und
so weiter, was ein bedeutendes Problem für Regierungen und Interessengruppen
geworden ist. Die optische Beeinträchtigung und die akustische
Verschmutzung, die durch Windturbinen erzeugt werden, beeinflussen das
tägliche
Leben der Menschen beträchtlich.
Im Allgemeinen liegt das Gebiet, das durch das Geräusch beeinträchtigt wird,
in einem Entfernungsbereich von 1 bis 2 Kilometern. Da wir im Hinblick
auf die optische Beeinträchtigung
ein Gebäude,
das eine Höhe
von 70 Meter aufweist und 30 Kilometer entfernt ist, in einem offenen
Gelände
an einem sonnigen Tag sehen können,
kann die optische Beeinträchtigung,
die durch die jüngst überall in
der Welt installierten, landgestützten
2 MW-Windturbinen
mit Türmen
von 70 bis 80 Metern Höhe
und Flügelspitzen
bis zu 150 Metern Höhe
erzeugt wird, noch schwerwiegender als eine akustische Verschmutzung
sein. Darüber
hinaus weisen die Flügel
von großtechnischen
Windturbinen im Allgemeinen eine schlanke Form auf, die wie ein
spitzer Pfeil oder ein Schwert aussieht, wenn man dies von weiter
entfernt betrachtet, wodurch ein Gefühl vermittelt wird, dass der
Raum oder der Horizont zerschnitten oder durchlöchert wird. Insbesondere aufgrund
unterschiedlicher Stellungen und Orientierungen der Windturbinen
in einem Windpark können
die Flügel
der Windturbinen unterschiedlichen Scher- und Zugkräften ausgesetzt
sein und besitzen dementsprechend unterschiedliche Drehwinkel, wodurch
eine schwerwiegende optische Störung
bewirkt wird. Im Besonderen führt
dies zu einem Hürdeneffekt
für Vögel während des
Fluges. D. h. obwohl die langsam rotierenden Flügel mit einer geringen Wahrscheinlichkeit
zu einer Kollision zwischen den Flügeln und den Vögeln führen, müssen die
Vögel die
Flügel umfliegen,
und dementsprechend wird deren Flugstrecke und -muster gestört.
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Um
die optische Beeinträchtigung,
die durch einen Windpark hervorgerufen wird, zu verringern, schlagen
die PCT Veröffentlichung
Nr.
WO2007074181
A1 , die US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer US2003035725
A1 und die japanische Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer
JP2004019515 A usw.
unterschiedliche Rahmenarchitekturen zum Umhüllen von Flügelbewegungsprofilen vor. Da
all diese Techniken eine Menge unterschiedlicher Anlagenkonstruktionen
mit sich bringen, sind sie nicht auf die gegenwärtigen großtechnischen Windturbinen anwendbar.
In der PCT Veröffentlichung
Nr.
WO2007074181A1 sind
die Flügel
so konstruiert, dass sie eine halbkegelstumpfförmige Form aufweisen, um die
optische Beeinträchtigung
zu vermindern. Aber diese Technik bringt ebenfalls hohe Kosten mit
sich und ist nicht für
großtechnische
Windturbinen geeignet.
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Um
die optische Beeinträchtigung
eines Windparks zu verringern, ohne die Notwendigkeit die Anlagenausrüstung der
Windturbinen zu verändern, umfasst
ein Verfahren, das in der US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer US2006267347A1 und
der Patentveröffentlichung
Nr. US6661111B1 vorgeschlagen wird, dass Schatten rotierender Flügel detektiert
werden, ermittelt wird, ob die Änderung der
Schatten über
einem im Voraus festgelegten Wert liegt, d. h. ermittelt wird, ob
eine optische Beeinträchtigung
bei benachbarten Wohngebäuden
auftritt, und Windturbinen abgeschaltet werden, wenn die Änderung
der Schatten über
dem im Voraus festgelegten Wert liegt.
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Obwohl
ein derartiges Verfahren die Notwendigkeit beseitigt, die Anlagenausrüstung von
Windturbinen zu verändern
und die Kosten einspart, er fordert es, dass die Windturbinen abgeschaltet
werden müssen,
wenn die Änderung
der Schatten über
dem im Voraus festgelegten Wert liegt, wodurch der Wirkungsgrad
der Stromerzeugung des Windparks verringert wird.
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Da
verteilte Stromerzeugungssysteme der zukünftige Entwicklungstrend von
Stromsystemen sind, besteht bei Windparks die Tendenz, sie in der Nähe der Lastzentren
zu installieren, wie etwa in städtischen
Gebieten oder Industrieparks mit hohem Stromverbrauch und hoher
Bevölkerungsdichte.
Infolgedessen ist die optische Beeinträchtigung ein Hindernis geworden,
das die breite Anwendung der Windparks verhindert.
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Daher
besteht ein Bedarf, ein Windparksteuerungssystem bereitzustellen,
um das Problem der optischen Beeinträchtigung ohne die Notwendigkeit, die
Anlagenausrüstung
zu verändern
und den Stromerzeugungswirkungsgrad preiszugeben, zu überwinden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
Anbetracht der Nachteile des Standes der Technik stellt die vorliegende
Erfindung ein Windparksteuerungssystem und einen Windpark bereit, die
die optische Beeinträchtigung,
ohne die Notwendigkeit, existierende Anlagenausrüstung zu verändern und
den Stromerzeugungswirkungsgrad preiszugeben, lindern können.
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Das
Windparksteuerungssystem der vorliegenden Erfindung ist auf einen
Windpark mit mehreren Windturbinen anwendbar, wobei eine jede der Windturbinen
einen Rotor mit mehreren Flügeln
umfasst, wobei das Windparksteuerungssystem zumindest umfasst: ein
Kommunikationsmodul zum Austausch von Daten mit einer jeden der
Windturbinen; und ein Verarbeitungsmodul zum Berechnen einer durchschnittlichen
Windgeschwindigkeit auf der Basis von Windgeschwindigkeitsdaten,
die von einer jeden der Windturbinen beschafft werden, wobei das Verarbeitungsmodul
während
eines Ausgangsbetriebes des Windparks im Voraus eine entsprechende Beziehung
zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit festgelegt,
um eine kollektive Rotorgeschwindigkeit der Windturbinen zu berechnen,
wobei ein Ausgangsrotorwinkelbefehl erzeugt und von dem Kommunikationsmodul
zu einer jeden der Windturbinen übertragen
wird, um den Rotor einer jeden der Windturbinen dazu zu bringen,
einen Ausrichtungsprozess durchzuführen, um deren Flügel in eine
im Voraus festgelegte Ausgangsstellung zu verfahren, wonach die
durchschnittliche Windgeschwindigkeit in jedem Abtastzeitintervall
beschafft wird, und eine Rotorwinkelstellung, die von der kollektiven
Rotorgeschwindigkeit abgeleitet wird, auf der Basis der durchschnittlichen
Windgeschwindigkeit in Verbindung mit einer spezifischen Verarbeitungsregel
berechnet und von dem Kommunikationsmodul weiter zu einer jeder
der Windturbinen übertragen
wird, so dass der Rotor einer jeden der Windturbinen verfahren wird,
um aus der im Voraus festgelegten Ausgangsstellung gemäß den Rotorwinkelstellungsbefehlen
synchron zu arbeiten.
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Der
Windpark der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest: mehrere Windturbinen,
ein Windparksteuerungssystem und eine Übertragungsschnittstelle, die
in Reihe oder parallel zu den Windturbinen und dem Windparksteuerungssystem
geschaltet ist, wobei eine jede der Windturbinen einen Rotor mit
mehreren Flügeln
aufweist, und das Windparksteuerungssystem zumindest umfasst: ein
Kommunikationsmodul zum Austausch von Daten mit einer jeden der
Windturbinen über
die Übertragungsschnittstelle;
und ein Verarbeitungsmodul zum Berechnen einer durchschnittlichen
Windgeschwindigkeit auf der Basis von Windge schwindigkeitsdaten bei
jeder der Windturbinen, wobei das Verarbeitungsmodul während eines
Ausgangsbetriebes des Windparks im Voraus eine entsprechende Beziehung
zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit festgelegt,
um eine kollektive Rotorgeschwindigkeit der Windturbinen zu berechnen,
wobei ein Ausgangsrotorwinkelbefehl erzeugt und durch das Kommunikationsmodul
zu einer jeden der Windturbinen übertragen
wird, um den Rotor einer jeden der Windturbinen dazu zu bringen,
einen Ausrichtungsprozess durchzuführen, um deren Flügel in eine im
Voraus festgelegte Ausgangsstellung zu verfahren, wonach die durchschnittliche
Windgeschwindigkeit bei jedem Abtastzeitintervall beschafft wird
und eine Rotorwinkelstellung auf der Basis der kollektiven Rotorgeschwindigkeit,
die von der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit abgeleitet wird,
in Verbindung mit einer spezifischen Verarbeitungsregel berechnet wird,
und von dem Kommunikationsmodul weiter zu einer jeden der Windturbinen übertragen
wird, so dass der Rotor einer jeden der Windturbinen verfahren wird,
um aus der im Voraus festgelegten Ausgangsstellung gemäß den Rotorwinkelstellungsbefehlen
synchron zu arbeiten.
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Dabei
ist die Stromerzeugungseinheit einer jeden der Windturbinen ein
Generator. Die Stromumwandlungseinheit einer jeden der Windturbinen
ist ein Stromwandler. Die Windgeschwindigkeits-Detektionseinheit
ist ein Anemometer oder ein Schätzsoftwaremodul
in einer Windturbinensteuereinheit.
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Das
Verarbeitungsmodul des Windparksteuerungssystems umfasst ferner:
eine Konfigurationseinheit zum Konfigurieren der entsprechenden
Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit
auf der Basis des Prinzips der Maximalleistungspunktnachführung (MPPT-Prinzips),
eine Rotorwinkelbefehlseinheit zum Ausgeben eines Ro torwinkelbefehls;
eine Abtasteinheit zum Beschaffen einer Windgeschwindigkeit einer
jeden der Windturbinen in jedem Abtastzeitintervall und zum Berechnen
und Ausgeben einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit des Windparks
gemäß den beschafften
Daten nachdem die Rotorwinkelbefehlseinheit den Rotorwinkelbefehl
ausgibt; eine Sucheinheit zum Empfangen der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit
des Windparks von der Abtasteinheit und zum Suchen und Ausgeben
einer Rotorgeschwindigkeit, die der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit
entspricht, gemäß der entsprechenden
Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit,
die durch die Konfigurationseinheit konfiguriert wird; und eine
Berechnungseinheit zum Empfangen der Rotorgeschwindigkeit, die von
der Sucheinheit ausgegeben wird, und des Abtastzeitintervalls der
Abtasteinheit, und zum Berechnen der Rotorwinkelstellung einer jeden
der Windturbinen bei einem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt gemäß den empfangenen
Daten in Verbindung mit der spezifischen Verarbeitungsregel, wobei
die Berechnungseinheit ferner die Rotorwinkelstellung bei einem
vorhergehenden Abtastzeitpunkt zur Berechnung verwendet.
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Das
Windparksteuerungssystem umfasst ferner ein Speichermodul zum Speichern
der entsprechenden Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und
der Rotorgeschwindigkeit, die von dem Verarbeitungsmodul konfiguriert
wird, und zum Speichern des Wertes einer Rotorwinkelstellung bei jedem
Abtastzeitpunkt, der von dem Verarbeitungsmodul berechnet wird.
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Im
Besonderen ist die spezifische Verarbeitungsregel der Berechnungseinheit,
dass die Rotorwinkelstellung bei dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt gleich
der Summe aus der Rotorwinkelstellung bei dem vorhergehenden Abtastzeitpunkt,
die von der Berechnungseinheit berechnet und in dem Speichermodul
gespeichert wird, und dem Produkt aus dem Abtastzeitintervall und
der Rotorgeschwindigkeit, die von der Sucheinheit ausgegeben wird,
ist. Während
der Ausgangsberechnung der Berechnungseinheit ist der Rotorwinkelstellungsbefehl
ein vorgegebener kollektiver Ausgangswert.
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Die
Konfigurationseinheit konfiguriert ferner die entsprechende Beziehung
zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit gemäß dem Gelände des
Windparkstandortes und den Eigenschaften der Windturbinen.
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In
einer Ausführungsform
bedeutet die Ausgangsstellung, dass die Ausgangsflügelstellungen der
Rotoren der Windturbinen gleich sind. In einer anderen Ausführungsform
bedeutet die Ausgangsstellung, dass die Ausgangsflügelstellungen
der Rotoren der Windturbinen sich um einen im Voraus festgelegten
Winkel unterscheiden.
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Vorzugsweise
weisen die Flügel
des Rotors einer jeden der Windturbinen teilweise oder vollständig unterschiedliche
Lackierungen oder Muster auf.
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Die Übertragungsschnittstelle
kann ein Feldbus, ein Ethernet und so weiter sein.
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Deshalb
hat der Windpark durch den anfänglichen
Ausrichtungsprozess und den folgenden normalen synchronen Betriebsprozess
im Betrieb ein regelmäßiges Profil,
das optisch ästhetisch
ist, wodurch die Wirkung der optischen Beeinträchtigung stark vermindert wird.
Ferner können
die Flügel
der Windturbinen teilweise oder vollständig unterschiedliche Lackierungen
oder Muster aufweisen, um die optische Ästhetik zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Schaubild, das die Konfiguration eines Windparksteuerungssystems und
mehrerer Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das die grundlegende Architektur
des Windparksteuerungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das die grundlegende Architektur
eines Windparks gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bestimmte
Ausführungsformen
werden nun beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen.
Diese und weitere Vorteile oder Wirkungen der vorliegenden Erfindung
können
Fachleute auf dem Gebiet nach dem Lesen der Offenbarung dieser Beschreibung
leicht feststellen.
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1 ist
ein schematisches Schaubild, das die Konfiguration des Windparksteuerungssystems und
mehrerer Windturbinen gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. Wie es in den Zeichnungen veranschaulicht ist, wird das Windparksteuerungssystem 10 bei
einem Windpark (nicht gezeigt) mit mehreren Windturbinen 15 (nicht
gezeigt) angewandt, wobei eine jede der Windturbinen einen Rotor
mit mehreren Flügeln
umfasst. Es ist bevorzugt, dass die Flügel des Rotors einer jeden
der Windturbinen teil weise oder vollständig unterschiedliche Lackierungen
oder Muster aufweisen.
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2 ist
ein schematisches Schaubild der grundlegenden Architektur des Windparksteuerungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie es in den Zeichnungen veranschaulicht ist, umfasst
das Windparksteuerungssystem 10: ein Kommunikationsmodul 11,
ein Verarbeitungsmodul 12 und ein Speichermodul 13.
Darin tauscht das Kommunikationsmodul 11 Daten mit einer
jeden der Windturbinen 15 aus. Im Besonderen tauscht das
Kommunikationsmodul 11 Daten mit einer jeden der Windturbinen 15 über eine Übertragungsschnittstelle,
wie etwa ein serielles Kommunikationsmedium, aus, sodass das Windparksteuerungssystem
und die Windturbinen des Windparks periodisch bidirektionale und
Echtzeit-Datenaustauschvorgänge über die Übertragungsschnittstelle
durchführen
können.
Das Verarbeitungsmodul 12 berechnet eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit
gemäß den Windgeschwindigkeitsdaten
bei einer jeden der Windturbinen 15, und legt im Voraus
eine entsprechende Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und
der Rotorgeschwindigkeit fest, um eine kollektive Rotorgeschwindigkeit
der Rotoren der Windturbinen zu berechnen. Während des Ausgangsbetriebes
des Windparks wird von dem Verarbeitungsmodul 12 ein Ausgangsrotorwinkelbefehl
erzeugt und durch das Kommunikationsmodul 11 zu einer jeden
der Windturbinen 15 übertragen,
sodass der Rotor einer jeden der Windturbinen 15 einen
Ausrichtungsprozess durchführen kann,
um deren Flügel
in eine im Voraus festgelegte Ausgangsstellung zu verfahren. Danach
wird die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in jedem Abtastzeitintervall
erfasst, und eine Rotorwinkelstellung wird auf der Basis der kollektiven
Rotorgeschwindigkeit, die von der durchschnittlichen Windgeschwindigkeit
abgeleitet wird, in Verbindung mit einer spezifischen Verarbeitungsregel
berechnet und von dem Kommunikationsmodul 11 weiter zu
einer jeden der Windturbinen 15 übertragen, so dass der Rotor
einer jeden der Windturbinen 15 verfahren wird, um aus der
im Voraus festgelegten Ausgangsstellung synchron zu arbeiten. Das
Verarbeitungsmodul 12 kann eine Konfigurationseinheit 121,
eine Rotorwinkelbefehlseinheit 122, eine Abtasteinheit 123,
eine Sucheinheit 124 und eine Berechnungseinheit 125 umfassen.
Diese sind im Einzelnen wie folgt.
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Die
Konfigurationseinheit 121 konfiguriert die entsprechende
Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit
gemäß dem Gelände des
Windparkstandortes und den Eigenschaften der Windturbinen 15 auf
der Basis des Prinzips der Maximalleistungspunktnachführung (MPPT
von maximum power point tracking). Da das MPPT-Prinzip Fachleuten
bereits bekannt ist, wird hierin eine ausführliche Beschreibung derselben weggelassen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird
die entsprechende Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und
der Rotorgeschwindigkeit durch eine Liste dargestellt, aber sie
ist nicht darauf begrenzt. In anderen Ausführungsformen kann die entsprechende
Beziehung durch einen Koordinatengraphen dargestellt sein.
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Das
Speichermodul 13 speichert die entsprechende Beziehung
zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit, die
durch die Konfigurationseinheit 121 konfiguriert wird,
und speichert den Wert der Rotorwinkelstellung bei jedem Abtastzeitpunkt,
der von der Berechnungseinheit 125 berechnet wird, deren
Einzelheiten später
beschrieben werden.
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Die
Rotorwinkelbefehlseinheit 122 gibt einen Rotorwinkelbefehl
aus. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist die Rotorwinkelbefehlseinheit 122 eine Benutzerschnittstelle,
die von Benutzern betätigt werden
kann, um einen Rotorwinkelbefehl zu erzeugen und auszugeben. In
anderen Ausfüh rungsformen
kann die Rotorwinkelbefehlseinheit 122 derart entworfen
sein, dass sie in der Lage ist, automatisch einen Rotorwinkelbefehl
in einem festgelegten Zeitintervall oder anhand eines im Voraus
festgelegten Zeitplans auszugeben.
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Nachdem
der Rotorwinkelbefehl von der Rotorwinkelbefehlseinheit 122 ausgegeben
worden ist, beschafft die Abtasteinheit 123 die Windgeschwindigkeit
bei einer jeden der Windturbinen 15 in jedem Abtastzeitintervall,
um eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit des Windparks zu berechnen
und auszugeben.
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Die
Sucheinheit 124 empfängt
eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit von der Abtasteinheit 123,
um nach einer Rotorgeschwindigkeit zu suchen, die der durchschnittlichen
Windgeschwindigkeit entspricht, gemäß der entsprechenden Beziehung
zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit, die
in dem Speichermodul 13 gespeichert ist, und um die Rotorgeschwindigkeit
auszugeben.
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Die
Berechnungseinheit 125 empfängt die Rotorgeschwindigkeit,
die von der Sucheinheit 124 ausgegeben wird, und das Abtastzeitintervall,
und berechnet die Rotorwinkelstellung einer jeden der Windturbinen
bei dem gegenwärtigen
Abtastzeitpunkt auf der Basis der empfangenen Werte in Verbindung
mit der Rotorwinkelstellung bei dem vorhergehenden Abtastzeitpunkt,
die in dem Speichermodul 13 gespeichert ist. Im Besonderen
wird zunächst eine
kollektive Rotorgeschwindigkeit der Windturbinen gemäß der entsprechenden
Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit
auf der Basis des MPPT-Prinzips abgeleitet, und anschließend wird
der kollektive Rotorwinkelstellungsbefehl in der nächsten Periode
durch digitale Integration berechnet. D. h. die Berechnungseinheit 125 benutzt
die Rotorgeschwindigkeit (ω·[i]), die
von der Sucheinheit 124 ausgegeben wird, die Abtastperiode
(Δt) und
die Rotorwinkelstellung (θ·[i – 1]) bei
dem vorhergehenden Abtastzeitpunkt, die von der Berechnungseinheit 125 berechnet
und in dem Speichermodul 13 gespeichert wird, um die Rotorwinkelstellung
(θ·[i]) einer
jeden der Windturbinen 15 bei dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt
zu berechnen, wobei die Verarbeitungsregel der Rotorwinkelstellung
bei dem gegenwärtigen
Abtastzeitpunkt in Gleichung (1) gezeigt ist: θ·[i] = θ·[i – 1] + ω·[i] × Δt (1)
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Dabei
beträgt
der Ausgangswert von θ·[i – 1] während des
Ausrichtungsprozesses Null oder ist eine im Voraus festgelegte Konstante.
Wenn der Ausrichtungsprozess abgeschlossen ist, kann ein normaler
synchroner Betriebsprozess gestartet werden.
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Wie
es oben beschrieben ist, verfährt
eine jede der Windturbinen 15 während des Ausrichtungsprozesses,
wenn der von der Rotorwinkelbefehlseinheit 122 ausgegebene
Rotorwinkelbefehl eine jede der Windturbinen 15 erreicht,
die Flügel
ihres Rotors, um sie in die im Voraus festgelegte Ausgangsstellung zu
bewegen. Nachdem der Ausrichtungsprozess abgeschlossen ist und ein
normaler synchroner Betriebsprozess gestartet wird, wird die Rotorwinkelstellung, die
von der Berechnungseinheit 125 in jedem Abtastintervall
berechnet wird, synchron zu jeder der Windturbinen 15 übertragen,
sodass jede der Windturbinen 15 ihren Rotor derart verfährt, dass
sie synchron arbeiten. Vorzugsweise bedeutet die Ausgangsstellung,
dass die Ausgangsflügelstellungen
der Rotoren der Windturbinen gleich sind. In anderen Ausführungsformen
bedeutet die. Ausgangsstellung, dass die Ausgangsflügelstellungen
der Rotoren der Windturbinen sich um einen im Voraus festgelegten
Winkel unterscheiden. Im Besonderen kann das Windparksteuerungssystem
im Voraus festgelegte Winkelstellungen der Windturbinen gemäß der Auslegung
des Windparks und der optischen Ästhetik
festlegen, d. h. festgelegte Verschiebungen für die Windturbinen festlegen.
Während
des Betriebes wird der kollektive Rotorwinkelstellungsbefehl zu
den spezifischen Verschiebungen addiert, um jeweils einen entsprechenden
internen Rotorwinkelstellungsbefehl der jeweiligen Windturbinen
zu bilden.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das die grundlegende Architektur eines Windparks
mit einem Windparksteuerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt. Wie es in den Zeichnungen gezeigt ist, umfasst der Windpark
1: mehrere Windturbinen (hier werden zur Veranschaulichung drei
Turbinen 15, 15' und 15'' verwendet), ein Windparksteuerungssystem 10 und
eine Übertragungsschnittstelle 14,
die in Reihe oder parallel zu den Windturbinen 15, 15', 15'' geschaltet ist, sowie das Windparksteuerungssystem 10.
Das Windparksteuerungssystem 10 umfasst ein Kommunikationsmodul 11,
ein Verarbeitungsmodul 12 und ein Speichermodul 13,
wie es in 2 gezeigt ist. Das Verarbeitungsmodul 12 umfasst
ferner: eine Konfigurationseinheit 121, eine Rotorwinkelbefehlseinheit 122,
eine Abtasteinheit 123, eine Sucheinheit 124 und
eine Berechnungseinheit 125. Die Übertragungsschnittstelle 14 kann
ein Feldbus oder ein Ethernet sein. Die Windturbine 15 (15', 15'') umfasst einen Rotor 151,
(151', 151''), einen Getriebemechanismus 152 (152', 152''), dessen eines Ende mit dem Rotor 151 (151', 151'') verbunden ist, eine Stromerzeugungseinheit 153,
(153', 153''), die mit dem anderen Ende des
Getriebemechanismus 152 (152', 152'')
verbunden ist, eine Stromumwandlungseinheit 154 (154', 154''), eine Windgeschwindigkeits-Detektionseinheit 155 (155' 155'') und eine Steuereinheit 156 (156', 156'').
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Der
Rotor 151 (151', 151'') umfasst mehrere Flügel. Um
die optische Beeinträchtigung
zu mindern, weisen die Flügel
einer jeden der Windturbinen teilweise oder vollständig unterschiedliche
Lackierungen oder Muster auf.
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Wenn
der Rotor 151 (151', 151'') durch externe Windkräfte gedreht
wird, versetzt er den damit verbundenen Getriebemechanismus 152 (152', 152'') in Bewegung, wodurch bewirkt
wird, dass die mechanische Energie von der mit dem Getriebemechanismus 152 (152', 152'') verbundenen Stromerzeugungseinheit 153 (153', 153'') zur Stromerzeugung in kinetische
Energie umgewandelt wird. Wenn im Gegensatz dazu das Drehmoment,
die Drehzahl oder die Ausgangsleistung der Stromerzeugungseinheit 153 schwankt,
kann die Stromerzeugungseinheit 153 (153', 153'') auch den Getriebemechanismus 152 (152', 152'') antreiben, so dass dieser derart
arbeitet, dass er den Rotor 151 (151', 152'') in Rotation versetzt, wodurch
die entsprechende Einstellung an dem Rotor 151 (151', 151'') vorgenommen wird. In der vorliegenden
Ausführungsform
ist die Stromerzeugungseinheit 153 (153', 153'') ein Generator.
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Die
Stromumwandlungseinheit 154 (154', 154'')
ist elektrisch mit der Stromerzeugungseinheit 153 (153', 153'') verbunden, um das Drehmoment, die
Drehzahl oder die Ausgangsleistung der Stromerzeugungseinheit 153 zu
steuern. Durch Verändern des
Drehmoments, der Drehzahl oder der Ausgangsleistung der Stromerzeugungseinheit 153 (153', 153'') steuert die Stromumwandlungseinheit 154 (154', 154'') weiter die Rotation des Rotors 151 (151', 151''), der mit der Stromerzeugungseinheit 153 (153', 153'') durch den Getriebemechanismus 152 (152', 152'') gekoppelt ist. In der vorliegenden
Ausführungsform
ist die Stromumwandlungseinheit 154 (154', 154'') ein Stromwandler. Im Besonderen
umfasst die Stromumwandlungseinheit 154 (154', 154'') eine Drehwinkelschleife, eine Drehgeschwindigkeitsschleife,
eine Drehmomentschleife, eine Stromschleife und einen Wechselrichter.
Da der Stromwandler Fachleuten auf dem Gebiet allgemein bekannt
ist, wird dessen ausführliche
Beschreibung hierin weggelassen.
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Die
Windgeschwindigkeits-Detektionseinheit 155 (155', 155'') wird verwendet, um die Windgeschwindigkeit,
die von der Windturbine 15 (15', 15'') an
der gegenwärtigen
Position empfangen wird, zu detektieren.
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Die
Steuereinheit 156 (156', 156'')
ist elektrisch mit dem Getriebemechanismus 152 (152', 152''), der Windgeschwindigkeits-Detektionseinheit 155 (155', 155'') bzw. der Stromumwandlungseinheit 154 (154', 154'') verbunden und mit dem Windparksteuerungssystem 10 über die Übertragungsschnittstelle 14 verbunden.
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Da
die Haupteigenschaften des Windparksteuerungssystems der vorliegenden
Ausführungsform
gleich sind wie bei der vorhergehenden Ausführungsform von 1,
wird eine ausführliche
Beschreibung des Windparksteuerungssystems der vorliegenden Ausführungsform
weggelassen, und es wird hierin nur die Verbindung zwischen dem
Windparksteuerungssystem und den Windturbinen 15, 15', 15'' beschrieben. Wie es in 3 gezeigt
ist, ist die Kommunikationseinheit 11 mit den Steuereinheiten 156, 156', 156'' der Windturbine 15, 15', 15'' über die Übertragungsschnittstelle 14 verbunden,
sodass, nachdem die Rotorwinkelbefehlseinheit 103 einen Rotorwinkelbefehl
ausgegeben hat, Werte der Windgeschwindigkeit bei dem gegenwärtigen Abtastzeitpunkt,
die von der Windgeschwindigkeits-Detektionseinheit 155, 155', 155'' detektiert werden, von dem Windparksteuerungssystem
beschafft werden können,
um eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit zu berechnen. Im Besonderen
wenn die Steuereinheiten 156, 156', 156'' den
Rotorwinkelbefehl von der Rotorwinkelbefehls einheit 122 über die Übertragungsschnittstelle 14 empfangen,
treiben sie den Getriebemechanismus 152, 152', 15'' derart an, dass er so arbeitet,
dass er die Flügel
der Rotoren 151, 151', 151'' dazu
bringt, sich in die Ausgangsstellung zu bewegen. Danach wird ein
normaler synchroner Betriebsprozess gestartet, wobei in jedem Abtastzeitintervall
eine Rotorwinkelstellung, die von der Berechnungseinheit 125 berechnet
wird, seriell oder parallel zu den Steuereinheiten 156, 156', 156'' der Windturbinen 15, 15', 15'' und weiter zu den entsprechenden
Stromumwandlungseinheiten 154, 154', 154'' übertragen
wird, sodass die Stromumwandlungseinheiten 154, 154', 154'' die Rotoren 151, 151', 151'' dazu bringen können, aus der Ausgangsstellung
synchron zu arbeiten. Vorzugsweise bedeutet die Ausgangsstellung,
dass die Ausgangsflügelstellungen
der Rotoren der Windturbinen 15, 15', 15'' gleich
sind, aber dies ist nicht darauf begrenzt. In anderen Ausführungsformen
können
sich die Ausgangsflügelstellungen
der Rotoren der Windturbinen 15, 15', 15'' um
einen im Voraus festgelegten Winkel unterscheiden.
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Deshalb
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Konfigurationseinheit verwendet, um die entsprechende
Beziehung zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit
zu konfigurieren, und nachdem die Rotorwinkelbefehlseinheit einen
Rotorwinkelbefehl ausgibt, beschafft die Abtasteinheit die Windgeschwindigkeit
an den Windturbinen in jedem Abtastzeitintervall von Steuereinheiten
der Windturbinen über
eine Übertragungsschnittstelle
und berechnet ferner eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit
auf der Basis der erfassten Werte der Windgeschwindigkeit. Anschließend sucht eine
Sucheinheit nach einer Rotorgeschwindigkeit, die der durchschnittlichen
Windgeschwindigkeit entspricht, gemäß der entsprechenden Beziehung
zwischen der Windgeschwindigkeit und der Rotorgeschwindigkeit, die
in der Konfigurationseinheit konfiguriert wird. Dementsprechend
berechnet die Berechnungseinheit eine Ro torwinkelstellung der Windturbinen
bei dem gegenwärtigen
Abtastzeitpunkt. Daraufhin wird der Rotorwinkelbefehl, der von der
Rotorwinkelbefehlseinheit ausgegeben wird, zu den Steuereinheiten
der Windturbinen übertragen,
sodass die Steuereinheiten die Getriebemechanismen antreiben können, um
sich zu bewegen und weiter die Flügel der Rotoren dazu zu bringen,
sich in eine Ausgangsstellung zu bewegen. Danach wird die berechnete
Rotorwinkelstellung in jedem Abtastzeitintervall seriell oder parallel
zu den Steuereinheiten der Windturbinen und weiter zu den entsprechenden Stromumwandlungseinheiten übertragen,
sodass die Stromumwandlungseinheiten die Rotoren steuert, um aus
der Ausgangsstellung synchron zu arbeiten. Deshalb arbeiten alle
Windturbinen des Windparks synchron. Die Verringerung der optischen
Beeinträchtigung
wird erreicht, ohne die vorhandene Anlagenausrüstung zu verändern.
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Obgleich
die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung oben ausführlich beschrieben wurden,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen
beschränkt,
und innerhalb des Geistes und Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung,
wie er in den beigefügten
Ansprüchen
definiert ist, können
Fachleute auf dem Gebiet verschiedene Abänderungen und Abwandlungen
vornehmen.