DE102009015167A1

DE102009015167A1 - Verfahren zum Nachführen einer Windenergieanlage gegen die Windrichtung

Info

Publication number: DE102009015167A1
Application number: DE102009015167A
Authority: DE
Inventors: Bodo Wilkens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Verfahren zum Nachführen einer Rotorebene einer Windenergieanlage gegen die Windrichtung, bei dem folgende Schritte fortlaufend wiederholt werden: die Windstärke und eine mechanische oder elektrische, auf die Windstärke normierte Abgabeleistung der Windenergieanlage werden bestimmt, ausschließlich beim Anfahren der Windenergieanlage wird die Rotorebene in einer Azimutalrichtung leicht verstellt, eine allein auf der Änderung der Azimutalrichtung beruhende, normierte Leistungsdifferenz wird bestimmt, aus der normierten Leistungsdifferenz und der zuletzt angewendeten Verstellrichtung wird ein Korrekturwert bestimmt, die Rotorebene wird entsprechend dem Betrag des Korrekturwerts in einer Verstellrichtung in Azimutalrichtung verstellt, wenn der Betrag einen Schwellwert übersteigt, wobei die Verstellrichtung mit der letzten Verstellrichtung übereinstimmt, wenn die normierte Leistungsdifferenz positiv ist, und ansonsten entgegengesetzt dazu ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Nachführen einer Rotorebene einer Windenergieanlage gegen die Windrichtung.
Aus der DE 10 2004 051 843 A1 ist ein Verfahren zum Ausrichten von Windenergieanlagen bekannt, das auf der Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und einem Maß für die mechanische bzw. elektrische Leistung der Windenergieanlage beruht und bei dem unterschiedliche Mittelwerte, klassifiziert nach positiver und negativer Windrichtung bzw. Abweichung, gebildet werden, aus denen dann ein Kalibrierwert zum Ändern der Azimutalrichtung des Maschinenhauses abgeleitet wird.
Insbesondere die Messung der Windrichtung ist allerdings nicht unproblematisch, da diese bereits von der Windenergieanlage selbst beeinflusst werden kann und zumindest dann, wenn sie durch eine am Maschinenhaus angebrachte Messeinrichtung erfasst wird, nicht zwangsläufig die tatsächliche Anströmrichtung des Rotors widerspiegelt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Nachführen einer Rotorebene einer Windenergieanlage in Windrichtung bereitzustellen, bei dem die Messung der Windrichtung entbehrlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Nachführen einer Rotorebene einer Windenergieanlage in Windrichtung gelöst, bei dem folgende Schritte fortlaufend wiederholt werden:

a) die Windstärke und eine mechanische oder elektrische, auf die Windstärke normierte Abgabeleistung der Windenergieanlage werden bestimmt,
a1) ausschließlich beim Anfahren der Windenergieanlage wird die Rotorebene in einer Azimutalrichtung leicht verstellt,
b) eine allein auf der Änderung der Azimutalrichtung beruhende, normierte Leistungsdifferenz wird bestimmt,
c) aus der normierten Leistungsdifferenz und der zuletzt angewendeten Verstellrichtung wird ein Korrekturwert bestimmt,
d) die Rotorebene wird entsprechend dem Betrag des Korrekturwerts in einer Verstellrichtung in Azimutalrichtung verstellt, wenn der Betrag einen Schwellwert übersteigt, wobei die Verstellrichtung mit der letzten Verstellrichtung übereinstimmt, wenn die normierte Leistungsdifferenz positiv ist, und ansonsten entgegengesetzt dazu ist.

Mit Hilfe dieses Verfahrens wird gewissermaßen „selbständig lernend” der optimale Punkt der Ausrichtung gefunden, was durch laufende Auswertung von Windrichtung und Leistung geschieht.
Ohne Kenntnis der optimalen azimutalen Ausrichtung der Rotorebene ist zunächst die ständige Beobachtung der abgegebenen Leistung der Anlage notwendig. Sinkt die Leistung nach einem Verstellvorgang ab, soll das System den Azimutalwinkel erneut verstellen, bis ein erneutes Absinken festgestellt wird oder die Verbesserung der Leistung sehr klein wird, also das Optimum nahezu erreicht oder leicht überschritten wurde.
Da sich die Leistung auch aufgrund einer Schwankung der Windgeschwindigkeit verringern oder erhöhen kann, nicht nur aufgrund einer Windrichtungsänderung, muss dieser Effekt zuvor mit einer hinterlegten normierten Leistungskurve herausgerechnet werden. Diese normierte Leistungskurve wird zweckmäßigerweise aus den Werten des Gondelanemometers und den zugehörigen Leistungswerten ermittelt, da eine vom Hersteller der Windenergieanlage angegebene Leistungskurve in der Regel nicht geeignet ist.
Da eine aufgrund einer Leistungsänderung gewählte Verstellrichtung der azemutalen Ausrichtung der Windenergieanlage eine „falsche Richtung” sein kann, die nicht in Richtung auf das Optimum der Leistung führt, muss das System bei Feststellung einer weiteren Verringerung der Leistung die Richtung wechseln, was in der Praxis aufgrund der Trägheit der Nachführung und dem möglicherweise häufigen Hin- und Herschwanken der Windrichtung zu Problemen führen kann, oder es muss mit der Windgeschwindigkeit auch die Windrichtung ermittelt werden, so dass die Windrichtungsinformation und der Wechsel im Optimierungsprozess berücksichtigt werden (Anspruch 2).
Beim Anfahren des Systems muss zunächst eine leichte Veränderung des Azimutwinkels vorgenommen werden, um den vorstehend beschriebenen Regelprozess in Gang zu setzen ausschließlich beim Anfahren der Windenergieanlage wird die Rotorebene in einer Azimutalrichtung leicht verstellt.
Zur weiteren Optimierung der Windnachführung kann eine Modifikation des Verfahrens zusätzlich eingeführt werden. Da der Wind möglicherweise relativ schnell seine Richtung wechseln kann, ist es zweckmäßig, die Geschwindigkeit der Nachführung, d. h. der Änderung des Azimutwinkels der Rotorebene gleichfalls zu regeln. Sonst kann aufgrund der Trägheit der Nachführung der Fall eintreten, dass das System dem optimalen Einstellungspunkt in großem Abstand hinterherläuft. Die Geschwindigkeit der Nachführung sollte abhängig sein von der Geschwindigkeit der Leistungsveränderung, und/oder von der Häufigkeit des Windrichtungswechsels.
Der erfindungsgemäße Optimierungsprozess hat eine Reihe von Systemparametern zur Grundlage, insbesondere die Zeitintervalle der Leistungsermittlung (1 Sekunde, 10 Sekunden, 1 Minute o. ä.), die Zeitintervalle für die Ermittlung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung (wie vorstehend), der Schwellwert der Leistungsverringerung, ab dem der Azimutwinkel nachgeführt wird, der Schwellwert der Leistungsverbesserung, ab der der Azimutwinkel nicht mehr nachgeführt wird, die Geschwindigkeit der Azimutwinkeländerung in Abhängigkeit von der Leistungsveränderung und Häufigkeit des Windrichtungswechsels und deren Faktoren, und die maximale Geschwindigkeit der Azimutwinkelnachführung.
Die optimale Einstellung dieser Parameter wird höchstwahrscheinlich vom herrschenden Windregime, d. h. durchschnittliche Windgeschwindigkeiten, Turbulenzintensität, Häufigkeit der Windrichtungswechsel usw. abhängen. Diese Größen sind wiederum abhängig vom Standort, der Bodenrauhigkeit und der vorherrschenden durchschnittlichen Klima und Wettersituation.
Es kann daher sinnvoll sein, diese Parameter vorab festzulegen und unterschiedlich für die Windrichtungssektoren, die Windgeschwindigkeit und den Standort individuell vorzugeben.
In einem separaten, zusätzlichen Schritt kann das System selbständig die Parametereinstellungen schrittweise leicht variieren und anhand bestimmter Kriterien die Güte des Optimierungsprozesses über einen Zeitraum ermitteln. Verschlechtert sich der Optimierungsprozess, würde in einer vorgegebenen Schrittweite der jeweilige Parameter in der entgegengesetzten Richtung verändert. Es kommt somit für die verschiedenen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten, Windrichtungssektoren und Standorte zu einem Auslegeprozess des optimalen Einstellungsverhaltens und der Einstellung der Parameter.
1 zeigt die Abhängigkeit der mechanischen oder elektrischen Abgabeleistung einer Windenergieanlage vom Azimutwinkel, wobei in einer optimalen Winkelstellung ein Maximum erreicht wird. Ausgehend von einer Ausgangslage A wird durch Veränderung des Azimutwinkels in Richtung B ein Leistungsanstieg feststellbar. Der Azimutwinkel wird weiter in Richtung Optimum verändert. In der Endlage B hat die Steigerung der Leistung einen kritischen Wert oder Schwellwert SP unterschritten, und der Punkt B befindet sich nahe oder am Optimum.
2 erläutert die Geschwindigkeit der Winkeländerung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Leistungsänderung (Leistungsänderung pro Zeiteinheit).
A bezeichnet den Schwellwert der Leistungsänderung, ab dem die Windnachführung einsetzt. B ist die Geschwindigkeit der Winkeländerung, die ab dem Schwellwert A beginnt und dann konstant bleibt, bis das Optimum erreicht wird und die Geschwindigkeit der Leistungsänderung wieder unter den Schwellwert sinkt.
Die Gerade C bezeichnet eine kontinuierlich mit der Geschwindigkeit der Leistungsänderung ansteigende Geschwindigkeit der Winkeländerung, d. h. der Nachführung.
Der Verlauf D zeigt die Geschwindigkeit der Winkeländerung, die kontinuierlich mit der Geschwindigkeit der Leistungsänderung ansteigt. Sie soll aber mit der Annäherung an das Optimum nicht wieder zurückgehen, sondern konstant bleiben, bis das Optimum erreicht ist, bzw. der Schwellwert A wieder erreicht ist.
3 erläutert eine Strategie zur Ermittlung der Richtung der Winkeländerung, die zum Optimum führt, entsprechend Anspruch 1. Ausgehend von einer Messung einer negativen Leistungsänderung wird der Azimutwinkel der Rotorebene der Windenergieanlage in der zuletzt geänderten Richtung weiter verändert, und zwar mit einer Geschwindigkeit, deren Betrag vom Quotienten der Leistungsänderung je Zeiteinheit abhängt. Ist die Leistungsänderung daraufhin negativ, wird die Richtung der Winkelveränderung umgekehrt, wenn nicht, wird der Winkel weiterhin mit der genannten Funktion in der zuletzt geänderten Richtung weiter verändert.
Wenn die Leistungsänderung unterhalb eines Schwellwerts liegt, ist das Optimum erreicht.

Die nachstehende tabellarische Gegenüberstellung und 4.1 bis 4.4 erläutern eine alternative Strategie, bei der zusätzlich die Windrichtung zur Ermittlung der Richtung der Winkelveränderung gemessen wird.

Leistungsänderung	Veränderung der gemessenen Windrichtung
Leistungsänderung	Links	Rechts
Positiv	Rechtsverstellung der Rotor- ebene führt zum Optimum (Grafik 4.1)	Linksverstellung der Rotor- ebene führt zum Optimum (Grafik 4.3)
Negativ	Linksverstellung der Rotor- ebene führt zum Optimum (Grafik 4.2)	Rechtsverstellung der Rotor- ebene führt zum Optimum (Grafik 4.4)

4.1 und 4.2 erläutern die Verhältnisse bei einer Veränderung der gemessenen Windrichtung nach links. Bei positiver Leistungsänderung (4.1) führt eine Rechtsverstellung der Rotorebene zum Optimum. Bei negativer Leistungsänderung (4.2) führt eine Linksverstellung der Rotorebene zum Optimum.
Die Verhältnisse bei einer Veränderung der gemessenen Windrichtung nach rechts sind in 4.3 und 4.4. veranschaulicht. Bei einer positiven Leistungsänderung (4.3) führt eine Linksverstellung der Rotorebene zum Optimum, während bei einer negativen Leistungsänderung (4.4.) eine Rechtsverstellung der Rotorebene zum Optimum führt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004051843 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Nachführen einer Rotorebene einer Windenergieanlage gegen die Windrichtung, bei dem folgende Schritte fortlaufend wiederholt werden: a) die Windstärke und eine mechanische oder elektrische, auf die Windstärke normierte Abgabeleistung der Windenergieanlage werden bestimmt, a1) ausschließlich beim Anfahren der Windenergieanlage wird die Rotorebene in einer Azimutalrichtung leicht verstellt, b) eine allein auf der Änderung der Azimutalrichtung beruhende, normierte Leistungsdifferenz wird bestimmt, c) aus der normierten Leistungsdifferenz und der zuletzt angewendeten Verstellrichtung wird ein Korrekturwert bestimmt, d) die Rotorebene wird entsprechend dem Betrag des Korrekturwerts in einer Verstellrichtung in Azimutalrichtung verstellt, wenn der Betrag einen Schwellwert übersteigt, wobei die Verstellrichtung mit der letzten Verstellrichtung übereinstimmt, wenn die normierte Leistungsdifferenz positiv ist, und ansonsten entgegengesetzt dazu ist.
Verfahren zum Nachführen einer Rotorebene einer Windenergieanlage gegen die Windrichtung, bei dem folgende Schritte fortlaufend wiederholt werden: a) die Windstärke und eine mechanische oder elektrische, auf die Windstärke normierte Abgabeleistung der Windenergieanlage werden bestimmt, a1) ausschließlich beim Anfahren der Windenergieanlage wird die Rotorebene in einer Azimutalrichtung leicht verstellt, b) eine allein auf der Änderung der Azimutalrichtung beruhende, normierte Leistungsdifferenz wird bestimmt, c) aus der normierten Leistungsdifferenz und der zuletzt angewendeten Verstellrichtung wird ein Korrekturwert bestimmt, d) die Rotorebene wird entsprechend dem Betrag des Korrekturwerts in einer Verstellrichtung in Azimutalrichtung verstellt, wenn der Betrag einen Schwellwert übersteigt, wobei die Verstellrichtung mit der letzten Verstellrichtung übereinstimmt, wenn die normierte Leistungsdifferenz positiv ist, und ansonsten entgegengesetzt dazu ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Änderung der Azimutrichtung geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Änderung der Azimutrichtung von der Geschwindigkeit der Leistungsänderung abhängt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Änderung der Azimutrichtung von der Häufigkeit des Windrichtungswechsels abhängt.