DE102009022236A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Windenergieanlage - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Regelung einer Windenergieanlage weist die Vorrichtung wenigstens einen Regelkreis auf, mit dem wenigstens ein Arbeitsbereich des Teillastbetriebes und wenigstens ein Arbeitsbereich des Volllastbetriebes regelungstechnisch miteinander verbunden sind. Die Verbindung gewährleistet einen besonders belastungsarmen Anlagenbetrieb beim Übergang vom Teillastbereich in den Volllastbereich und andersherum.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Windenergieanlage, bei dem mittels eines von einem Generator induzierten Bremsmomentes eine vorbestimmte Rotordrehzahl sowie mittels von Pitchantrieben induzierten Pitchgeschwindigkeiten vorbestimmte Blattwinkel selbsttätig eingestellt werden, die tatsächlichen Rotordrehzahlen sowie die tatsächlichen Blattwinkel fortwährend erfasst werden und die Werteabweichungen der vorbestimmten Werte zu den tatsächlichen Werten selbsttätig ermittelt werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regelung einer Windenergieanlage, mit wenigstens einem Regelkreis.
  • Es ist bekannt, vom Generator an der Rotorwelle zu induzierende Bremsmomente mittels eines Frequenzumrichters derart einzustellen, dass eine fortwährende Anpassung zwischen der veränderlichen Drehfrequenz des Generators und der konstanten Netzfrequenz innerhalb eines Versorgungsnetzes erreicht ist. Diese Einstellung erfolgt über anlagenspezifische Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien, welche durch Stützpunkte, Funktionen oder umfangreiche Tabellen beschrieben und im Frequenzumrichter hinterlegt sind. Die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien haben jedoch den Nachteil, dass sie eine starre Zuordnung der zu induzierenden Brems momente zu den tatsächlichen Rotordrehzahlen vornehmen. Die Folge sind bauteilbelastende Schwingungen und Belastungsstöße, welche die Leistungsfähigkeit der Windenergieanlage verringern. Insbesondere beim Erreichen der Synchronisationsdrehzahl erschweren aus schwankenden Windgeschwindigkeiten herrührende Werteabweichungen eine tastenschonende Synchronisation des Generators mit dem Versorgungsnetz.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit denen ein besonders belastungsarmer Anlagenbetrieb gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass aus den die Rotordrehzahlen betreffenden Werteabweichungen fortwährend drehzahlabhängige Nachstellwerte für das Bremsmoment und drehzahlabhängige Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeiten ermittelt werden. Aus den die Blattwinkel betreffenden Werteabweichungen werden hingegen fortwährend blattwinkelabhängige Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeiten ermittelt. Sodann werden die drehzahlabhängigen Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeiten und die blattwinkelabhängigen Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeiten hinsichtlich ihrer Größe miteinander verglichen, wobei mit den jeweils größeren Nachstellwerten die Pitchgeschwindigkeiten während des Volllastbetriebes der Windenergieanlage nachgeregelt werden. Während des Teillastbetriebes der Windenergieanlage wird hingegen das Bremsmoment mit den drehzahlabhängigen Nachstellwerten für das Bremsmoment nachgeregelt.
  • Über die die Rotordrehzahl betreffenden Werteabweichungen ist eine Verknüpfung der bei Teillast erzeugten Nachstellwerte mit den bei Volllast erzeugten Nachstellwerten realisiert, so dass beim Übergang vom Teillastbereich in den Volllastbereich und andersherum ein besonders belastungsarmer Anlagenbetrieb gewährleistet ist. Sollwertsprünge in der vorbestimmten Rotordrehzahl oder in den vorbestimmten Blattwinkeln sind auf diese Weise ausregelbar, so dass der wirtschaftliche Betrieb der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen Windenergieanlagen verbessert ist. Die fortwährende Erfassung der tatsächlichen Rotordrehzahlen hat den Vorteil, dass auf Messeinrichtungen für die Windgeschwindigkeit verzichtet werden kann. So wird beispielsweise ein Startvorgang einer Windenergieanlage durch Aufschalten eines Generators dann eingeleitet, wenn eine für den Generator erforderliche Arbeitsdrehzahl von der tatsächlichen Rotordrehzahl für eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten wird. Während des Startvorganges werden die Rotorblätter von einer Startblattposition in Richtung kleinerer Blattwinkel verfahren, wobei die vorbestimmte Rotordrehzahl sowie die tatsächliche Rotordrehzahl bis zum Erreichen einer für das Versorgungsnetz erforderlichen Synchronisationsdrehzahl kontinuierlich erhöht werden und der Generator auf das Versorgungsnetz aufgeschaltet wird. Damit befindet sich die Windenergieanlage im Teillastbetrieb. Bei ausreichenden Windverhältnissen werden die Rotorblätter weiter in Richtung kleinerer Blattwinkel verfahren, wobei die vorbestimmte Rotordrehzahl sowie die tatsächliche Rotordrehzahl bis zum Erreichen einer anlagenspezifischen Nennleistung kontinuierlich erhöht werden. Mit Erreichen der Nennleistung befindet sich die Windenergieanlage im Volllastbetrieb. Die Rotordrehzahl wird somit über sämtliche Betriebszustände einer Windenergieanlage geregelt, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch bei Erreichen von mit Schaltvorgängen belegten Grenzwerten minimale Werteabweichungen realisierbar sind. Dazu wird das vom Generator induzierte Bremsmoment auf einem oberen Grenzwert gehalten. Auf eine Vorgabe eines mit den Pitchantrieben zu induzierenden Blattwinkels wird verzichtet, so dass Signallaufzeiten und Rechenzeiten vorteilhaft verkürzt sind.
  • Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung wird das vom Generator induzierte Bremsmoment auf Basis einer vorbestimmt beschränkten elektrischen Leistung selbsttätig eingestellt. Außerdem wird die tatsächlich erzeugte elektrische Leistung fortwährend erfasst und die Werteabweichungen der vorbestimmten Werte zu den tatsächlichen Werten werden selbsttätig ermittelt. Aus den Werteabweichungen werden dann fortwährend beschränkungsorientierte Nachstellwerte für das Bremsmoment und die Pitchgeschwindigkeit ermittelt. Dabei dienen die beschränkungsorientierten Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeit zur Regelung der Windenergieanlage im Volllastbetrieb, wobei die elektrische Leistung lediglich dadurch beschränkt ist, dass die Rotordrehzahl auf eine anlagenspezifische Nenndrehzahl geregelt wird. Die beschränkungsorientierten Nachstellwerte für das Bremsmoment dienen der Regelung der Windenergieanlage im Teillastbetrieb, wobei die vorbestimmte elektrische Leistung entweder aufgrund eines vorgegebenen Schallleistungspegels, tiefer Temperaturen der Lagerschmierstoffe, hoher Temperaturen von Betriebs- oder Kühlmitteln oder aufgrund von Netzanschlussregeln der Energieversorgungsunternehmen zeitweise beschränkt wird.
  • Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung werden aus den beschränkungsorientierten Nachstellwerten für das Bremsmoment und den drehzahlabhängigen Nachstellwerten für das Bremsmoment Differenzbeträge ermittelt. Die drehzahlabhängigen Nachstellwerte für das Bremsmoment werden dann um die zuvor ermittelten Differenzbeträge vermindert, sofern die drehzahlabhängigen Nachstellwerte größer als die beschränkungsorientierten Nachstellwerte sind. Mit einer derartigen Regelungscharakteristik ist festgelegt, dass immer der kleinere Nachstell wert eines aus einem drehzahlabhängigen Nachstellwert und einem beschränkungsorientierten Nachstellwert gebildeten Wertepaares genutzt wird, um damit das mit dem Generator zu induzierende Bremsmoment im Teillastbetrieb nachzuregeln. Auf diese Weise ist eine stoßfreie Einstellung des Drehmomentes beim Wechsel vom Volllastbetrieb in den Teillastbetrieb und umgekehrt möglich. Mögliche Lastsprünge durch harte Umschaltvorgänge werden vermieden, was zu einem schonenden Betrieb der Windenergieanlage beiträgt. Der Regelsinn ist dabei so gewählt, dass einer Erhöhung der tatsächlich erzeugten elektrischen Leistung über die vorbestimmt elektrische Leistung hinaus immer durch eine Vergrößerung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte für das Bremsmoment geantwortet wird.
  • Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die beschränkungsorientierten Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeiten den drehzahlabhängigen Nachstellwerten für die Pitchgeschwindigkeiten hinzugerechnet. Mit dieser Regelcharakteristik ist hingegen festgelegt, dass die sich aus der Summation ergebenden Nachstellwerte dazu genutzt werden, die von den Pitchantrieben zu induzierenden Pitchgeschwindigkeiten im Volllastbetrieb nachzuregeln. Die Summation hat den Vorteil, dass dadurch ein fließender Übergang vom Volllastbetrieb in den Teillastbetrieb und umgekehrt möglich ist. Es finden keine harten Umschaltvorgänge statt, die zu Sprüngen in den induzierten Pitchgeschwindigkeiten führen können. Dieses trägt zu einem lastreduzierten Betrieb der Windenergieanlage bei. Die Summation erfolgt mit Vorteil jedoch auf Basis einer Priorisierung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeit, mit der gewährleistet ist, dass die tatsächlichen Rotordrehzahlen die anlagenspezifische Nenndrehzahl nicht überschreiten.
  • Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden aus den tatsächlichen Blattwinkeln Blattwinkelmittelwerte errechnet, die zur Ermittlung der die Blattwinkel betreffenden Werteabweichungen herangezogen werden. Die Ermittlung der Werteabweichungen erfolgt in fortwährender Weise, so dass Sollwertsprünge in der vorbestimmten Rotordrehzahl oder in den vorbestimmten Blattwinkeln vermieden sind. Damit sind Werteabweichungen, die auf Basis asynchroner Bewegungsabläufe der Pitchantriebe zueinander entstehen, weitgehend vermieden, so dass die Gewährleistung eines belastungsarmen Anlagenbetriebes weiter verbessert ist.
  • Um jedoch zwischen den Pitchantrieben eines Rotors auftretende Asynchronbewegungen auch ausregeln zu können, ist vorgesehen, dass aus den Blattwinkelmittelwerten und den tatsächlichen Blattwinkeln auf die einzelnen Pitchantriebe bezogene Einzelwertabweichungen für die Blattwinkel ermittelt werden. Aus den Einzelwertabweichungen werden sodann fortwährend Synchronisationswerte für die Pitcheinzelgeschwindigkeiten ermittelt, wobei die Pitcheinzelgeschwindigkeiten mit den Synchronisationswerten im Teillastbetrieb sowie im Volllastbetrieb nachgeregelt werden.
  • Nach einer besonders effizienten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Synchronisationswerte für die Pitcheinzelgeschwindigkeiten den jeweils größeren Nachstellwerten für die Pitchgeschwindigkeit hinzugerechnet werden. Mit einer derartigen Summation von den gesamten Generator bzw. Rotor betreffenden Nachstellwerten und die einzelnen Rotorflügel betreffenden Synchronisationswerten erfolgt eine besonders wirkungsvolle Ausregelung von Sollwertsprüngen in der vorbestimmten Rotordrehzahl oder den vorbestimmten Blattwinkeln.
  • Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung werden aus den die Rotordrehzahlen betreffenden Werteabweichungen Proportionalanteile sowie Integralanteile abgeleitet. Die Proportionalanteile und die Integralanteile werden dann zur Ermittlung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte für das Bremsmoment zusammengerechnet. Der Integralanteil sorgt für eine weiche Vorgabe der drehzahl abhängigen Nachstellwerte für das Bremsmoment. Hierdurch wird die Gewährleistung eines belastungsarmen und somit wirtschaftlichen Anlagenbetriebes weiter verbessert.
  • In äquivalenter Weise zu den die Rotordrehzahlen betreffenden Werteabweichungen werden auch aus den die elektrische Leistung betreffenden Werteabweichungen Proportionalanteile sowie Integralanteile abgeleitet. Die Proportionalanteile und die Integralanteile werden sodann zur Ermittlung der beschränkungsorientierten Nachstellwerte für das Bremsmoment zusammengerechnet.
  • Um das integrale Verhalten der die Rotordrehzahlen betreffenden Regelstrecke zu kompensieren, werden aus den die Rotordrehzahlen betreffenden Werteabweichungen Proportionalanteile sowie Differenzialanteile abgeleitet. Die Proportionalanteile und die Differenzialanteile werden dann zur Ermittlung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeit zusammengerechnet. Mit den Differenzialanteilen erfolgt vorteilhaft eine beschleunigte Ausregelung der von den Pitchantrieben zu induzierenden Pitchgeschwindigkeiten im Volllastbetrieb.
  • Äquivalent zur Ermittlung der die Rotordrehzahlen betreffenden Werteabweichungen werden auch aus den die Blattwinkel betreffenden Werteabweichungen Proportionalanteile sowie Integralanteile abgeleitet. Die Proportionalanteile und die Integralanteile werden dann ebenfalls zur Ermittlung der blattwinkelabhängigen Nachstellwerte für die Pitchgeschwindigkeit zusammengerechnet. Mit den Differenzialanteilen ist die beschleunigte Ausregelung der im Volllastbetrieb von den Pitchantrieben zu induzierenden Pitchgeschwindigkeit weiter verbessert.
  • Nach einer nächsten Weiterbildung der Erfindung werden aus den die Blattwinkel betreffenden Einzelwertabweichungen Proportionalanteile sowie Integralanteile abgeleitet. Die Proportionalanteile und die Integralanteile werden dann zur Ermittlung der Synchronisationswerte für die Pitchgeschwindigkeiten zusammen gerechnet. Auf diese Weise werden vorteilhaft aus Nullpunktverschiebungen hervorgehende Geschwindigkeitsdifferenzen der von den Pitchantrieben zu induzierenden Pitchgeschwindigkeiten kompensiert, so dass zeitintensive manuell durchzuführende Justierarbeiten entfallen können.
  • Um einen belastungsarmen Anlagenbetrieb zu gewährleisten, werden sämtliche Werteabweichungen bzw. Einzelwertabweichungen vor dem Ableiten in ihren Extremwerten begrenzt. Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, sämtliche Werteabweichungen in ihrem Anstieg zu begrenzen. Lastintensive Anregungen durch Sollwertsprünge in der vorbestimmten Rotordrehzahl oder in den vorbestimmten Blattwinkeln werden durch die Begrenzung der Werteabweichungen vorteilhaft vermieden. Ferner vermeidet die Begrenzung der Werteabweichungen in den Regelcharakteristiken des erfindungsgemäßen Verfahrens auftretende Übersteuerungen.
  • Um zu verhindern, dass bei anhaltenden Werteabweichungen die Integralanteile unendlich groß werden, ist es erforderlich, dass sämtliche Integralanteile in ihren Extremwerten begrenzt werden. Mit einer derartigen Begrenzung der Integralanteile ist ebenfalls besonders wirkungsvoll verhindert, dass es in den Regelcharakteristiken des erfindungsgemäßen Verfahrens zu lastintensiven Übersteuerungen kommt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels ihres Regelkreises wenigstens ein Arbeitsbereich des Teillastbetriebes und wenigstens ein Arbeitsbereich des Volllastbetriebes regelungstechnisch miteinander verbunden sind. Dabei erlaubt der wenigstens zwei Betriebszustände übergreifende Regelkreis, die Grenzwerte der regelmäßig zwischen den Betriebszuständen durchzuführenden Schaltvorgänge mit minimalen Werteabweichungen anzusteuern, so dass beim Übergang von einem Betriebszustand in den anderen Betriebszustand, insbesondere jedoch beim Übergang vom Teillastbereich in den Volllastbereich und andersherum, ein besonders belastungsarmer Anlagenbetrieb gewährleistet ist. Sollwertsprünge in der vorbestimmten Rotordrehzahl oder in den vorbestimmten Blattwinkeln sind mit dem betriebszustandsübergreifenden Regelkreis ausregelbar, so dass Anlagenteile schwächer ausgelegt oder Belastungsgrenzen höher gelegt werden können.
  • Ein Ausführungsbeispiel, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
  • 1: eine prinzipielle Regelungsstruktur für ein erfindungsgemäßes Verfahren;
  • 2: eine erste Detailstruktur der prinzipiellen Regelungsstruktur gemäß 1;
  • 3: eine zweite Detailstruktur der prinzipiellen Regelungsstruktur gemäß 1; und
  • 4: eine dritte Detailstruktur der prinzipiellen Regelungsstruktur gemäß 1.
  • Die 1 zeigt eine prinzipielle Regelungsstruktur für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung einer Windenergieanlage, bei dem mittels eines von einem Generator zu induzierenden Bremsmomentes 1 eine vorbestimmte Rotordrehzahl 2 sowie mittels von Pitchantrieben zu induzierenden Pitchgeschwindigkeiten 3, 4, 5 vorbestimmte Blattwinkel selbsttätig eingestellt werden, die tatsächlichen Rotor drehzahlen 6 sowie die tatsächlichen Blattwinkel 7, 8, 9 fortwährend erfasst werden, und aus den tatsächlichen Blattwinkeln 7, 8, 9 Blattwinkelmittelwerte 10 errechnet werden, die zur Ermittlung von die Blattwinkel 7, 8, 9 betreffenden Werteabweichungen 11 herangezogen werden. Weitere Werteabweichungen 12, 13 werden aus den vorbestimmten Rotordrehzahlen 2 zu den tatsächlichen Rotordrehzahlen 6 ermittelt. Das vom Generator zu induzierende Bremsmoment 1 wird auf Basis einer vorbestimmt beschränkten elektrischen Leistung 14 selbsttätig errechnet. Ferner wird die tatsächlich erzeugte elektrische Leistung 15 fortwährend erfasst und die Leistungen 14, 15 betreffende Werteabweichungen 16, 17 der vorbestimmt beschränkten elektrischen Leistungen 14 zu den tatsächlich erzeugten elektrischen Leistungen 15 ermittelt. Aus sämtlichen Wertabweichungen 12, 16 werden dann fortwährend drehzahlabhängige Nachstellwerte 18 sowie beschränkungsorientierte Nachstellwerte 19 für das zu induzierende Bremsmoment 1 ermittelt. Aus sämtlichen Werteabweichungen 11, 13, 17 werden fortwährend drehzahlabhängige Nachstellwerte 20, beschränkungsorientierte Nachstellwerte 21 und blattwinkelabhängige Nachstellwerte 22 für die zu induzierenden Pitchgeschwindigkeiten 3, 4, 5 ermittelt. Die vorbestimmte Rotordrehzahl 2 wird aus diversen Statusmeldungen 23 der Windenergieanlage ermittelt.
  • Die 2 zeigt eine erste Detailstruktur der prinzipiellen Regelungsstruktur für den Teillastbetrieb. In der Figur ist detailliert dargestellt, dass die vorbestimmte Rotordrehzahl 2 auf Basis der tatsächlichen Rotordrehzahlen 6, der Statusmeldungen 17, der Blattwinkelmittelwerte 10 sowie eines über drei Sekunden gemittelten Blattwinkelmittelwertes 10' berechnet wird. In einem Drehzahlregler 24 werden die die Rotordrehzahlen 2, 6 betreffenden Werteabweichungen 12 der vorbestimmten Rotordrehzahlen 2 zu den tatsächlichen Rotordrehzahlen 6 ermittelt. In einem Leistungsregler 25 werden die die Leistungen 14, 15 betreffenden Werte abweichungen 16 der vorbestimmt beschränkten elektrischen Leistungen 14 zu den tatsächlich erzeugten elektrischen Leistungen 15 ermittelt. Aus den die Rotordrehzahlen 2, 6 betreffenden Werteabweichungen 12 werden Proportionalanteile 26 sowie Integralanteile 27 abgeleitet, wobei die Proportionalanteile 26 und die Integralanteile 27 zur Ermittlung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte 18 für das zu induzierende Bremsmoment 1 jeweils verstärkt und dann zusammengerechnet werden. Aus den die elektrischen Leistungen 14, 15 betreffenden Werteabweichungen 16 werden ebenfalls Proportionalanteile 28 und Integralanteile 29 abgeleitet, wobei die Proportionalanteile 28 und die Integralanteile 29 zur Ermittlung der beschränkungsorientierten Nachstellwerte 19 für das zu induzierende Bremsmoment 1 zunächst verstärkt und dann zusammengerechnet werden. Im Folgenden werden die beschränkungsorientierten Nachstellwerte 19 und die drehzahlabhängigen Nachstellwerte 18 hinsichtlich ihrer Größe in einem Regelglied 30 miteinander verglichen und dabei Differenzbeträge ermittelt, wobei die drehzahlabhängigen Nachstellwerte 18 um die Differenzbeträge vermindert werden, sofern die drehzahlabhängigen Nachstellwerte 18 größer als die beschränkungsorientierten Nachstellwerte 19 sind. Aus den gegebenenfalls um die beschränkungsorientierten Nachstellwerte 19 verminderten Nachstellwerte 18 werden die zu induzierenden Bremsmomente 1 erzeugt, die in einem Begrenzer 31 in ihren Extremwerten begrenzt werden. Im Drehzahlregler 24 generierte Werteabweichungen 12 werden vor ihrer integralen Ableitung in einem Begrenzer 32 in ihren Extremwerten begrenzt und in dem Leistungsregler 25 generierte Werteabweichungen 16 werden vor ihrer integralen Ableitung in einem Begrenzer 33 in ihren Extremwerten begrenzt. Ein weiterer in dem Leistungsregler 25 angeordneter Begrenzer 34 dient der Begrenzung der Werteabweichungen 16 in ihrem Werteanstieg. Weiterhin in ihren Extremwerten begrenzt, werden in einem Begrenzer 35 die in dem Drehzahlregler 24 generierten Integralanteile 27 und in einem Begrenzer 36 die in dem Leistungsregler 25 generierten Integralanteile 29. Ist der Drehzahlregler 24 aktiv, wird der untere Grenzwert des Begrenzers 31 durch ein optimales Bremsmoment 37 bestimmt, das auf Basis der tatsächlichen Rotordrehzahlen 6 ermittelt wird. Ist hingegen der Leistungsregler 25 aktiv, wird der untere Grenzwert des Begrenzers 31 auf einen Nullwert 38 gesetzt. Der obere Grenzwert des Begrenzers 31 wird durch das Nennmoment 39 festgelegt.
  • Die 3 zeigt eine zweite Detailstruktur der prinzipiellen Regelungsstruktur für den Teil- und Volllastbetrieb. In einem Drehzahlregler 40 werden die die Rotordrehzahlen 2, 6 betreffenden Werteabweichungen 13 der vorbestimmten Rotordrehzahlen 2 zu den tatsächlichen Rotordrehzahlen 6 ermittelt. In einem Leistungsregler 41 werden die die in Leistungen 14, 15 betreffenden Werteabweichungen 17 der vorbestimmt beschränkten elektrischen Leistungen 14 zu den tatsächlich erzeugten elektrischen Leistungen 15 ermittelt. Außerdem werden in einem minimalen Blattwinkelregler 42 die die tatsächlichen Blattwinkel 7, 8, 9 betreffenden Werteabweichungen 11 eines gemeinsamen vorbestimmten Blattwinkels 76 zu den Blattwinkelmittelwerten 10 ermittelt. Aus den die Rotordrehzahlen 2, 6 betreffenden Werteabweichungen 13 werden Proportionalanteile 43 sowie Differenzialanteile 44 abgeleitet, wobei die Proportionalanteile 43 und die Differenzialanteile zur Ermittlung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte 20 für sämtliche Pitchantriebe eines Rotors betreffende Pitchgeschwindigkeitsnachstellwerte 45 zusammengerechnet werden. Aus den die elektrische Leistung 14, 15 betreffenden Werteabweichungen 17 werden ebenfalls Proportionalanteile 46 sowie Differenzialanteile 47 abgeleitet, wobei die Proportionalanteile 46 und die Differenzialanteile 47 zur Ermittlung der beschränkungsorientierten Nachstellwerte 21 für die Pitchgeschwindigkeitsnachstellwerte 45 zusammengerechnet werden. Außerdem werden aus den die tatsächlichen Blattwinkel 7, 8, 9 betreffenden Werteabweichungen 11 Proportionalanteile 48 sowie Integralanteile 49 abgeleitet, wobei die Proportionalanteile 48 und die Integralanteile 49 zur Ermittlung der blattwinkelabhängigen Nachstellwerte 22 für die Pitchgeschwindigkeitsnachstellwerte 45 zusammengerechnet werden. Im Folgenden werden die beschränkungsorientierten Nachstellwerte 21 den drehzahlabhängigen Nachstellwerten in einem Funktionsglied 50 hinzugerechnet. Im Anschluss daran werden die mit den beschränkungsorientierten Nachstellwerten 21 vergrößerten drehzahlabhängigen Nachstellwerte 20 und die blattwinkelabhängigen Nachstellwerte 22 hinsichtlich ihrer Größe in einem Regelglied 51 miteinander verglichen, wobei auf Basis der jeweils größeren Nachstellwerte 20 bzw. 22 die Pitchgeschwindigkeitsnachstellwerte 45 während des Volllastbetriebes der Windenergieanlage nachgeregelt werden. Im Drehzahlregler 40 generierte Werteabweichungen 13 werden vor ihrer differenzialen Ableitung in einem Begrenzer 52 in ihren Extremwerten begrenzt und in dem Leistungsregler 41 generierte Werteabweichungen 17 werden vor ihrer differenzialen Ableitung in einem Begrenzer 53 in ihren Extremwerten begrenzt. Im minimalen Blattwinkelregler 42 generierte Werteabweichungen 11 werden hingegen vor ihrer integralen Ableitung in einem Begrenzer 54 in ihren Extremwerten begrenzt. Ein weiterer in dem minimalen Blattwinkelregler 42 angeordneter Begrenzer 55 dient der Begrenzung der Werteabweichungen 11 in ihrem Werteanstieg. Weiterhin in ihren Extremwerten begrenzt, werden in einem Begrenzer 56 die in dem minimalen Blattwinkelregler 42 generierten Integralanteile 49. Ein Begrenzer 57 dient hingegen der Begrenzung der sämtliche Pitchantriebe des Rotors betreffenden Pitchgeschwindigkeitsnachstellwerte 45 in ihren Extremwerten. Mit einem dem Funktionsglied 50 nachgeordneten Verstärker 58 werden von den tatsächlichen Blattwinkeln 7, 8, 9 abhängige Nichtlinearitäten ausgeregelt.
  • Die 4 zeigt eine dritte Detailstruktur der prinzipiellen Regelungsstruktur zur Synchronisation der an einem Rotor angeordneten Rotorblätter. In der Figur ist am Beispiel eines einzelnen Rotorblattes dargestellt, dass aus den Blattwinkelmittelwerten 10 zu den tatsächlichen Blattwinkeln 7 auf den entsprechenden Pitchantrieb bezogene Einzelwertabweichungen 59 ermittelt werden. Aus den Einzelwertabweichungen 59 werden fortwährende Synchronisationswerte 60 für die dem Pitchantrieb zugeordnete Pitchgeschwindigkeit 3 ermittelt, wobei die Pitchgeschwindigkeit 3 mit den Synchronisationswerten 60 im Teillast- und Volllastbetrieb nachgeregelt wird. Die Synchronisationswerte 60 werden den sämtliche Pitchantriebe des Rotors betreffenden Pitchgeschwindigkeitsnachstellwerten 45 in einem Funktionsglied 61 hinzugerechnet. Aus den die Blattwinkel 7 betreffenden Einzelwertabweichungen 59 werden Proportionalanteile 62 sowie Integralanteile 63 abgeleitet, wobei die Proportionalanteile 62 und die Integralanteile 63 zur Ermittlung der Synchronisationswerte 60 für die Pitchgeschwindigkeit 3 zusammengerechnet werden. Die Einzelwertabweichungen 59 werden vor ihrer integralen Ableitung in einem Begrenzer 64 in ihren Extremwerten begrenzt. Die Integralanteile 63 werden mit einem Begrenzer 65 begrenzt. Ferner erlaubt die Regelungsstruktur, dass Werteabweichungen 66 von manuell einzustellenden Blattwinkeln 67 zu den tatsächlichen Blattwinkeln 7 ermittelt werden. Aus den die Blattwinkel 7, 67 betreffenden Werteabweichungen 66 werden ebenfalls Proportionalanteile 68 sowie Integralanteile 69 abgeleitet, wobei die Proportionalanteile 68 und die Integralanteile 69 zur Ermittlung eingabeorientierter Nachstellwerte 70 für die zu induzierende Pitchgeschwindigkeit 3 zusammengerechnet werden. Die Werteabweichungen 66 werden vor ihrer integralen Ableitung in einem Begrenzer 71 in ihren Extremwerten begrenzt. Die aus den Werteabweichungen 66 generierten Integralanteile 69 werden mit einem Begrenzer 72 begrenzt. Mit einem Schalter 73 wird die zu induzierende Pitchgeschwindigkeit 3 wahlweise auf Basis der Synchronisationswerte 60 oder der eingabeorientierten Nachstellwerte 70 ermittelt. Der Schalter 73 ist an einer Eingabeeinrichtung 74 zur Eingabe der manuell einzustellenden Blattwinkel 67 angeschlossen. In einem Begrenzer 75 wird die zu induzierende Pitchgeschwindigkeit 3 in ihren Extremwerten begrenzt.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Regelung einer Windenergieanlage, bei dem mittels eines von einem Generator induzierten Bremsmomentes (1) eine vorbestimmte Rotordrehzahl (2) sowie mittels von Pitchantrieben induzierten Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) vorbestimmte Blattwinkel (7, 8, 9) selbsttätig eingestellt werden, die tatsächlichen Rotordrehzahlen (6) sowie die tatsächlichen Blattwinkel (7, 8, 9) fortwährend erfasst werden und die Werteabweichungen (11, 12, 13, 16, 17) der vorbestimmten Werte zu den tatsächlichen Werten selbsttätig ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die Rotordrehzahlen (2, 6) betreffenden Werteabweichungen (12, 13) fortwährend drehzahlabhängige Nachstellwerte (18) für das Bremsmoment (1) und drehzahlabhängige Nachstellwerte (20) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) ermittelt werden, dass aus den die Blattwinkel (7, 8, 9) betreffenden Werteabweichungen (11) fortwährend blattwinkelabhängige Nachstellwerte (22) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) ermittelt werden, dass die drehzahlabhängigen Nachstellwerte (20) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) und die blattwinkelabhängigen Nachstellwerte (22) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) hinsichtlich ihrer Größe miteinander verglichen werden, dass mit den jeweils größeren Nachstellwerten (20, 22) die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) während des Volllastbetriebes der Windenergieanlage nachgeregelt werden, und dass mit den drehzahlabhängigen Nachstellwerten (18) für das Bremsmoment (1) dieses während des Teillastbetriebes der Windenergieanlage nachgeregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Generator induzierte Bremsmoment (1) auf Basis einer vorbestimmt beschränkten elektrischen Leistung (14) selbsttätig eingestellt wird, die tatsächlich erzeugte elektrische Leistung (15) fortwährend erfasst wird, die Werteabweichungen (16, 17) der vorbestimmten Werte zu den tatsächlichen Werten selbsttätig ermittelt werden, und aus den Werteabweichungen (16, 17) fortwährend beschränkungsorientierte Nachstellwerte (19, 21) für das Bremsmoment (1) und die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den beschränkungsorientierten Nachstellwerten (19) für das Bremsmoment (1) und den drehzahlabhängigen Nachstellwerten (18) für das Bremsmoment (1) Differenzbeträge ermittelt werden, und dass die drehzahlabhängigen Nachstellwerte (18) für das Bremsmoment (1) um die Differenzbeträge vermindert werden, wenn die drehzahlabhängigen Nachstellwerte (18) größer als die beschränkungsorientierten Nachstellwerte (19) sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beschränkungsorientierten Nachstellwerte (21) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) den drehzahlabhängigen Nachstellwerten (20) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) hinzugerechnet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den tatsächlichen Blattwinkeln (7, 8, 9) Blattwinkelmittelwerte (10) errechnet werden, die zur Ermittlung der die Blattwinkel (7, 8, 9) betreffenden Werteabweichungen (11) herangezogen werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Blattwinkelmittelwerten (10) und den tatsächlichen Blattwinkeln (7, 8, 9) auf die einzelnen Pitchantriebe bezogene Einzelwertabweichungen (59) ermittelt werden, dass aus den Einzelwertabweichungen (59) fortwährend Synchronisationswerte (60) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) ermittelt werden und dass die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) mit den Synchronisationswerten (60) im Teillastbetrieb sowie im Volllastbetrieb nachgeregelt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationswerte (60) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) den jeweils größeren Nachstellwerten (20, 22) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) hinzugerechnet werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die Rotordrehzahlen (2, 6) betreffenden Werteabweichungen (12) Proportionalanteile (26) sowie Integralanteile (27) abgeleitet werden, und dass die Proportionalanteile (26) und die Integralanteile (27) zur Ermittlung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte (18) für das Bremsmoment (1) zusammengerechnet werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die elektrische Leistung (14, 15) betreffenden Werteabweichungen (16) Proportionalanteile (28) sowie Integralanteile (29) abgeleitet werden, und dass die Proportionalanteile (28) und die Integralanteile (29) zur Ermittlung der beschränkungsorientierten Nachstellwerte (19) für das Bremsmoment (1) zusammengerechnet werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die Rotordrehzahlen betreffenden Werteabweichungen (13) Proportionalanteile (43) sowie Differenzialanteile (44) abgeleitet werden, und dass die Proportionalanteile (43) und die Differenzialanteile (44) zur Ermittlung der drehzahlabhängigen Nachstellwerte (20) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) zusammengerechnet werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die elektrische Leistung (14, 15) betreffenden Werteabweichungen (17) Proportionalanteile (46) sowie Differenzialanteile (47) abgeleitet werden, und dass die Proportionalanteile (46) und die Differenzialanteile (47) zur Ermittlung der beschränkungsorientierten Nachstellwerte (21) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) zusammengerechnet werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die Blattwinkel (7, 8, 9) betreffenden Werteabweichungen (11) Proportionalanteile (48) sowie Integralanteile (49) abgeleitet werden, und dass die Proportionalanteile (48) und die Integralanteile (49) zur Ermittlung der blattwinkel abhängigen Nachstellwerte (22) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) zusammengerechnet werden.
  13. verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die Blattwinkel (7, 8, 9) betreffenden Einzelwertabweichungen (59) Proportionalanteile (62) sowie Integralanteile (63) abgeleitet werden, und dass die Proportionalanteile (62) und die Integralanteile (63) zur Ermittlung der Synchronisationswerte (60) für die Pitchgeschwindigkeiten (3, 4, 5) zusammengerechnet werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Werteabweichungen (11, 12, 13, 16, 17, 66) bzw. Einzelwertabweichungen (59) vor dem Ableiten in ihren Extremwerten begrenzt werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Integralanteile (27, 29, 49, 63, 69) in ihren Extremwerten begrenzt werden.
  16. Vorrichtung zur Regelung einer Windenergieanlage, mit wenigstens einem Regelkreis, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Regelkreis wenigstens ein Arbeitsbereich des Teillastbetriebes und wenigstens ein Arbeitsbereich des Volllastbetriebes regelungstechnisch miteinander verbunden sind.
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