DE102010021643A1

DE102010021643A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms

Info

Publication number: DE102010021643A1
Application number: DE102010021643A
Authority: DE
Inventors: Felix Hess; Dr. Voss Martin; Dr. Buchtala Boris
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-01
Also published as: CN102288159A; ES2429238R1; ES2429238A2

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms (100), insbesondere einer Windkraftanlage, umfasst einen Schritt des Bestimmens einer Auslenkung (a) eines Bereichs (102) des Turms (100), basierend auf einem Modell des Biegeverhaltens des Turms (100) und einem von einer realen Neigung (a) des Bereichs (102) des Turms (100) abhängigen realen Neigungswert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms, insbesondere einer Windkraftanlage, sowie auf eine Verwendung der Auslenkung, um eine Belastung des Turms in Richtung der Auslenkung zu steuern.
Bei Windenergieanlagen mit horizontaler Achse und mindestens zwei Rotorblättern wird durch synchrone Verstellung der Blattwinkel die Drehzahl oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit so geregelt, dass durch die Änderung des Anstellwinkels der aerodynamische Auftrieb und somit das Antriebsmoment in solcher Weise verändert wird, dass die Anlage im Bereich der Nenndrehzahl gehalten werden kann. Durch den Rotor erfährt die Anlage eine Schubbelastung, welche zu einer Auslenkung des Turmkopfes führt. Da der Turm in Richtung der Auslenkung nur eine geringe Dämpfung aufweist, ist eine Auslegung der Regelung der Anlagendrehzahl so, dass keine Schwingungen des Turmkopfes angeregt werden, vorteilhaft.
US 7,160,083 B2 beschreibt ein Verfahren um eine Stellung der Rotorblätter anzupassen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms, insbesondere einer Windkraftanlage, eine Verwendung einer Information über die Auslenkung sowie ein Computerprogramm zu schaffen, das das erfindungsgemäße Verfahren umsetzt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms, eine Verwendung einer Information über die bestimmte Auslenkung des Turms und durch ein Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass mittels einer auf Messwerten basierende Information über eine Neigung des Turmkopfs und einem bekannten Modell über ein Biegeverhalten des Turms eine Auslenkung des Turmkopfes bestimmt werden kann. Gemäß einer Ausführungsform kann mittels Beschleunigungssensoren eine Winkelabweichung des Turmkopfes gegenüber der Richtung der Erdbeschleunigung gemessen werden. Zusammen mit einer bekannten Schwingungsgleichung für den Turm kann vom gemessenen Winkel auf die Auslenkung geschlossen werden.
Der erfindungsgemäße Ansatz kann vorteilhaft bei Windkraftanlagen eingesetzt werden, um einen Auslenkungszustand des Turmkopfes zu bestimmen. Eine Information über die Auslenkung kann als Eingangssignal zur Regelung der Windkraftanlage, insbesondere zur Minderung einer dynamischen Überlastung eingesetzt werden. Dabei kann die Turmkopfauslenkung auch direkt in die Regelung mit einbezogen werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms, insbesondere einer Windkraftanlage, das den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen einer Auslenkung eines Bereichs des Turms basierend auf einem Modell des Biegeverhaltens des Turms und einem von einer realen Neigung des Bereichs des Turms abhängigen realen Neigungswert.
Der Bereich des Turms, bezüglich dessen die Auslenkung bestimmt wird, kann ein beliebiges Segment des Turms darstellen. Beispielsweise kann der Bereich einen freien Endabschnitt des Turms und insbesondere einen Turmkopf darstellen. Die Auslenkung kann eine seitliche Verschiebung des Bereichs des Turms in Bezug auf eine Ruhelage definieren. Demnach kann eine Richtung der Auslenkung quer zu einer Längsachse des Turms in Ruhe stehen. Bei einem Turm mit einer vertikal ausgerichteten Längsachse kann eine horizontale Auslenkung bestehen. Die Auslenkung kann durch eine in Richtung der Auslenkung auf den Turm einwirkende Kraft hervorgerufen werden. Bei einer Windkraftanlage kann zumindest ein Anteil der Kraft durch eine Schubbelastung eines Rotors der Windkraftanlage ausgeübt werden. Die reale Neigung oder Ausrichtung des Turms kann in Bezug auf eine Lotrichtung oder in Bezug auf eine Längsachse des sich in Ruhe befindlichen Turms definiert sein. Wenn der Turm in Ruhe ist, weist der Bereich des Turms typischerweise keine Auslenkung auf. In diesem Fall kann die Ausrichtung des Bereichs parallel zu der Längsachse des Turms verlaufen und der Bereich somit keine Neigung aufweisen. Weist der Bereich des Turms eine Auslenkung auf, so weist der Turm entlang seiner Längsachse eine Biegung auf, die zu der Neigung des Bereichs führt. Der reale Neigungswert kann auf aktuellen Messwerten basieren. Der reale Neigungswert kann der realen Neigung oder Ausrichtung des Bereichs entsprechen oder in Abhängigkeit davon bestimmt werden. Das Modell des Biegeverhaltens kann auf einem Simulationsmodell oder einem Rechenmodell basieren. Des Modell kann ein oder mehrere Eigenmoden des Turms modellieren. Somit kann das Modell einen Einfluss zumindest einer Eigenschwingung des Turms auf den Bereich des Turms modellieren. Das Modell kann eine oder mehrere Biegelinien des Turms abbilden. Auch kann das Modell lediglich für den Bereich des Turms einen oder mehrere relevante Werte umfassen, die durch eine oder mehrere Biegelinien bestimmt werden. Beispielsweise kann das Modell modellierte Werte für eine Auslenkung und eine Ausrichtung des Turms umfassen. Werte des Modells können gemäß einer Normierungsvorschrift normiert sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann der reale Neigungswert auf einer messbaren Winkelabweichung des Bereichs gegenüber der Lotrichtung basieren. Die Winkelabweichung kann die Neigung des Turms in dem Bereich kennzeichnen. Der reale Neigungswert kann der Winkelabweichung entsprechen oder durch die Winkelabweichung bestimmt werden. Beispielsweise kann der reale Neigungswert über den Tangens eines der Winkelabweichung entsprechenden Winkels definiert sein. Die Lotrichtung kann eine Richtung der Erdbeschleunigung definieren. Ein Bezug zur Lotrichtung ist vorteilhaft, da sie bei einer Bewegung des Bereichs eine beständige Bezugsrichtung bietet.
Beispielsweise kann in einem Schritt des Ermittelns der reale Neigungswert basierend auf einer Information mindestens eines Beschleunigungssensors ermittelt werden. Der mindestens eine Beschleunigungssensor kann in dem Bereich des Turms angeordnet sein. Der reale Neigungswert kann von dem mindestens einen Beschleunigungssensor ermittelt und bereitgestellt werden. Alternativ kann der mindestens eine Beschleunigungssensor einen oder mehrere Messwerte an einer Schnittstelle bereitstellen und im Schritt des Ermittelns kann aus dem oder den Messwerten der reale Neigungswert ermittelt werden. Mittels des mindestens einen Beschleunigungssensors kann eine Veränderung eines entlang einer Messrichtung, beispielsweise der Längsrichtung des Turms, wirkenden Anteils der Erdbeschleunigung bestimmt werden. Aus der Veränderung kann wiederum eine Änderung der Messrichtung in Bezug auf die Lotrichtung bestimmt werden. Aus der Änderung der Messrichtung kann der reale Neigungswert ermittelt werden. Als mehrachsiger Beschleunigungssensor kann ein Sensor aus dem Kraftfahrzeugbereich übernommen und auf die Windkraftanlagen-Anwendung angepasst werden, so dass sich hier Synergien ergeben können.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Modell in Bezug auf mindestens eine Eigenschwingung des Turms einen normierten Auslenkungswert und einen normierten Neigungswert des Bereichs des Turms umfassen. Die normierten Werte können vorab bestimmt werden und eine Grundlage zur Bestimmung der realen Auslenkung bilden.
Die Auslenkung des Bereichs kann basierend auf einem Lösungswert mindestens einer Schwingungsgleichung des Turms bestimmt werden. Der Lösungswert kann basierend auf dem Modell des Biegeverhaltens bestimmt werden. Die mindestens eine Schwingungsgleichung kann eine Grundschwingung, eine erste Oberschwingung und/oder weitere Oberschwingungen des Turms abbilden. Für jede Schwingungsgleichung kann ein Lösungswert bestimmt werden. Die Auslenkung kann beispielsweise aus dem oder den Lösungswerten und dem oder den normierten Auslenkungswerten bestimmt werden. Jeder der Schwingungsgleichungen können dabei ein normierter Auslenkungswert und ein normierter Neigungswert des Modells zugeordnet sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Lösungswert basierend auf einem Beobachtersystems ermittelt werden. Das Beobachtersystem kann ausgebildet sein, um einen basierend auf dem Modell des Biegeverhaltens ermittelten modellierten Neigungswert des Bereichs des Turms mit dem realen Neigungswert abzugleichen. Das Beobachtersystem kann auf einer Beobachtergleichung und einer Messgleichung basieren. Die Beobachtergleichung kann auf einer oder mehreren Schwingungsgleichungen des Turms und auf einer den oder die normierten Auslenkungswerte umfassende Gleichung basieren. Basiert die Beobachtergleichung auf einer Mehrzahl von Schwingungsgleichungen, so kann mittels des Beobachtersystems eine Mehrzahl von Lösungswerten rekonstruiert werden. Die Messgleichung kann auf einer den realen Neigungswert und den oder die normierten Neigungswerte umfassenden Gleichung basieren. Verändert sich der reale Neigungswert über die Zeit, so können dem Beobachtersystem fortlaufend aktualisierte reale Neigungswerte bereitgestellt werden. Als Beobachtersystem können bekannte Verfahren, beispielsweise ein Luenberg-Beobachter oder ein Kalmanfilter, umgesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Bestimmen der Auslenkung ferner basierend auf einer Information über eine Beschleunigung des Bereichs des Turms in oder entgegen der Richtung der Auslenkung erfolgen. Die Beschleunigung des Bereichs kann mittels eines oder mehrerer Beschleunigungssensoren erfasst werden. Die Beschleunigung kann eingesetzt werden, um den oder die Lösungswerte der Schwingungsgleichung oder der Schwingungsgleichungen exakter zu bestimmen. Dazu kann das Beobachtersystem eine weitere Messgleichung aufweisen, die die Beschleunigung des Bereichs umfasst.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms, insbesondere einer Windkraftanlage, mit folgendem Merkmal: einer Bestimmungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Auslenkung eines Bereichs des Turms basierend auf einem Modell des Biegeverhaltens des Turms und einem von einer realen Neigung des Bereichs des Turms abhängigen realen Neigungswert zu bestimmen. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens umzusetzen. Die Vorrichtung kann in dem Bereich des Turms angeordnet sein, oder über eine Schnittstelle mit dem Bereich verbunden sein.
Unter eine Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Verwendung einer Information über die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmten Auslenkung des Turms, um eine Belastung des Turms in Richtung der Auslenkung zu steuern. Insbesondere kann die Information über die Auslenkung verwendet werden, um eine Schwingung des Turms zu dämpfen. Zudem kann die Information verwendet werden, um eine Stellung der Rotorblätter zu steuern.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem, einem Computer entsprechenden Gerät ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage;
2 eine schematische Darstellungen eines Turms;
3 eine Darstellung von Eigenmoden des Turms; und
4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windkraftanlage weist einen Turm 100 auf, der in einem Endbereich einen Turmkopf 102 aufweist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist an dem Turmkopf 102 ein Rotor 104 der Windkraftanlage angeordnet. Es handelt sich somit um eine Windenergieanlage mit horizontaler Achse und mindestens zwei Rotorblättern. Ein auf den Turm 100 und den Rotor 104 einwirkender Wind kann eine Kraft auf den Turm 100 ausüben, der eine Auslenkung des Turmkopfs 102 bewirken kann. In 1 ist der Turm 100 in einer Ruhelage gezeigt.
Indem Turmkopf 102 ist ein Beschleunigungssensor 112, eine Vorrichtung 114 zum Bestimmen der Auslenkung des Turms 100 und eine Steuereinrichtung 116 angeordnet. Der Beschleunigungssensor 112 ist ausgebildet, um einen realen Neigungswert oder einen Messwert, aus dem der reale Neigungswert bestimmt werden kann, an die Vorrichtung 114 bereitzustellen. Die Vorrichtung 114 weist ein Modell des Biegeverhaltens des Turms 100 auf. Das Modell kann einzelne Modellwerte umfassen, die beispielsweise in einer Speichereinrichtung gespeichert sein können. Insbesondere kann das Modell für ein oder mehrere Eigenmoden des Turms 100 normierte Werte für eine Auslenkung und eine Neigung des Turmkopfes 102 aufweisen. Die Vorrichtung 114 kann ausgebildet sein, um basierend auf dem Modell und dem realen Neigungswert die Auslenkung des Turmkopfes 102 zu bestimmen. Dazu kann ein Beobachtersystem in der Vorrichtung 114 umgesetzt sein, das einen dem realen Neigungswert angenäherten modellierten Neigungswert ermittelt. Entspricht der modellierte Neigungswert für eine vorbestimmte Zeitspanne dem realen Neigungswert, so ist die Vorrichtung 114 ausgebildet, um die Auslenkung des Turmkopfs 102 unter Verwendung eines oder mehrerer von dem Beobachtersystem eingestellter Lösungswerte zu bestimmen. Die Vorrichtung 114 ist ausgebildet, um eine Information über die Auslenkung an die Steuereinrichtung 116 bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 116 ist ausgebildet, um die Information über die Auslenkung zu verwenden, um beispielsweise eine die Auslenkung verursachende Schwingung des Turms 100 zu dämpfen. Der Beschleunigungssensor 112, die Vorrichtung 114 und die Steuereinrichtung 116 sind beispielhaft gewählt und können durch geeignete andere Einrichtungen ersetzt werden und auch anders positioniert werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Turms 100, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Turm 100 erstreckt sich ausgehend von einem Fundament 220 in vertikaler Richtung, hier in z-Richtung. Der Turm 100 weist eine Höhe z_H auf, auf der sich der Turmkopf 102 befindet. Durch Pfeile angedeuteter Wind 222 bewirkt eine Schubkraft S, die in der durch einen Pfeil 224 angedeuteten Richtung auf den Turm 100 einwirkt. Die Schubkraft S bewirkt eine Biegung des Turms 100 und eine Auslenkung a des Turmkopfs 102 in x-Richtung. An dem Turmkopf 102 wirkt die Erdbeschleunigung g in der gezeigten Lotrichtung, entgegen der z-Richtung. Der Turm 100 weist im Bereich des Turmkopfs 102 eine Neigung gegenüber der Lötrichtung auf, die durch den Winkel a definiert ist. Befindet sich der Turm 100 in Ruhe, so weist die Erdbeschleunigung ausschließlich einen Anteil in z-Richtung auf. Ist der Turm 100 ausgelenkt, so teilt sich die Erdbeschleunigung auf in einen Anteil in z-Richtung und einen Anteil in x-Richtung. Aus dem Verhältnis der Anteile kann die Neigung des Turmkopfes 102 und somit der Winkel a bestimmt werden.
Der Turmkopf 102 kann zusätzlich eine Neigung in y-Richtung aufweisen, die orthogonal zu der x-Richtung und der z-Richtung ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Verwendung eines 3-achsigen Beschleunigungssensors zur Bestimmung der Turmkopfauslenkung. Der Beschleunigungssensor kann Beschleunigungen in x-, y-, und z-Richtung erfassen.
Zunächst kann der Beschleunigungssensor die Richtung der Erdbeschleunigung ermitteln. Dazu ermittelt der Sensor die beiden Winkel zur Erdbeschleunigung, welche durch die horizontale Auslenkung des Turmkopfes entstehen. In 2 ist lediglich der Winkel a in Bezug auf die x-Richtung gezeigt. Ein weiterer Winkel definiert eine Neigung des Turms 100 in y-Richtung gegenüber der Lotrichtung. Aus den ermittelten Winkeln lässt sich nun unter der Verwendung eines internen Modells des Biegeverhaltens des Turmes 100 die absolute Auslenkung a des Turmes 100 bestimmen.
Durch die Messung des Winkels ist das Verfahren statisch exakt, die ermittelte Auslenkung erfährt also keinen zeitlichen Drift, wie dies bei einer reinen Messung der axialen Beschleunigung des Turmkopfes in x-Richtung bzw. in y-Richtung der Fall wäre.
Eine optionale Verwendung der axialen Beschleunigungen als Messgröße, wie nachfolgend beschrieben, verbessert allerdings die dynamische Genauigkeit des Beobachters zur Rekonstruktion der Turmkopfauslenkung.
3 zeigt eine Darstellung von Eigenmoden des Turms, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt sind drei Eigenmoden f₁, f₂, f₃. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Eigenmoden so normiert, dass eine maximale Auslenkung des Turms bei allen Eigenmoden jeweils 1m beträgt. Es gilt max|f_i(z)| = 1m; z ∊ [0, z_H]
Ist beispielsweise nur die zweite Eigenmode f₂ angeregt und schwingt mit x₂ = sin(ωt), so folgt daraus, dass die Auslenkung des Turms auf halber Höhe
beträgt.
Die Eigenmoden f₁ und f₃ weisen auf der Höhe z_H den Wert 1 auf. Sie tragen somit zu einer Auslenkung und einer Neigung des Turmkopfes bei. Die Eigenmode f₂ weist auf der Höhe z_H den Wert 0 auf. Sie trägt somit nur zu einer Neigung des Turmkopfes bei.
Die Form der Eigenmoden ist bekannt, beispielsweise aus einem Simulationsprogramm. Ebenfalls bekannt sind die Werte der Ableitungen der Eigenmoden an der Stelle z_H:
Die in 2 gezeigte Turmkopfauslenkung a und die Turmkopfneigung a lassen sich wie folgt berechnen. a = x₁f₁(z_H) + x₂f₂(z_H) tan(α) = x₁f ' / 1(z_H) + x₂f ' / 2(z_H)
Wobei die Koeffizienten x_i der Differenzialgleichung für die Turmkopfschwingung gehorchen:
Dabei ist D die normierte Dämpfungskonstante, C die normierte Federkonstante und S die Schubkraft.
Messbar sind der Winkel a und optional die axiale Beschleunigung. Dabei gilt: y₁ = tan(α) = x₁f ' / 1(z_H) + x₂f ' / 2(z_H) y_z = a = x ₁ + x ₂
Das dynamische System Σ ist über den Ausgang y₁ beobachtbar. Ein Luenberg-Beobachter oder ein Kalmanfilter kann also die Zustände x₁ und x₂ rekonstruieren. Dabei stellt a die in 2 gezeigte Winkelabweichung und y₂ die axiale Beschleunigung, gemäß 2 in x-Richtung, dar.
Damit lässt sich dann die in 2 gezeigte Turmkopfauslenkung a einfach durch a = x₁ + x₂ berechnen.
Die optionale Verwendung der axialen Beschleunigung y₂ im Beobachter ist möglich und führt zu einer verbesserten dynamischen Genauigkeit. Dazu kann ein zusätzlicher Ausgang für y₂ vorgesehen werden. In diesem Fall können zwei Modellwerte mit der Realität abgeglichen werden.
Im Folgenden ist ein Beobachter-Konzept dargestellt, mit dem das dynamische System Σ beobachtbar ist.
Lineares Modell: ẋ = Ax + Bu y = Cx
Gleichung des Beobachters: Ax ^ + Bu ^ + L(y – Cx ^)
Dabei existieren Verschiedene Verfahren um L zu wählen. Beispielsweise sei Luenberg oder Kalmann genannt. y kann durch eine Messung am realen System ermittelt werden.
Bei der Berücksichtigung von zwei Eigenmoden gilt: mx ₁ + D₁ẋ₁ + C₁x₁ = S₁ mx ₂ + D₂ẋ₂ + C₂x₂ = S₂ y = x₁f ' / 1(z_H) + x₂f ' / 2(z_H)
Durch eine Umformung ergibt sich:
y = [0f ' / 1(z_H)0f ' / 2(z_H)]x
Hierfür wird ein Beobachterentwurf erstellt. Die Kräfte S₁, S₂ sind nicht bekannt, können jedoch geschätzt werden. S₁ ist die Schubkraft, die aus der Windgeschwindigkeit v_Wind, der Rotordrehzahl O und dem Pitchwinkel der Rotorblätter β schätzbar ist. S₂ ist durch Rauschen gekennzeichnet.
Sobald sich der von dem Beobachter modellierte Neigungswert an den gemessenen Neigungswert y für eine bestimmte Zeit hinreichend angenähert hat, können die vom Beobachter ermittelten Werte x₁ und x₂ als realitätsnah angenommen und aus dem Beobachtermodell zur Bestimmung der Auslenkung a des Turmkopfes eingesetzt werden.
In 2 ist nur die Berechnung der Auslenkung in Windrichtung erläutert. Dasselbe Verfahren kann auch für die Auslenkung quer zur Windrichtung verwendet werden.
Das Konzept lässt sich auch anwenden, wenn mehr als zwei Eigenmoden der Turmschwingung modelliert werden.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 401 wird mittels einer Messung ein realer Neigungswert eines Bereichs des Turms, beispielsweise des Turmkopfes, bestimmt. In einem Schritt 403 wird basierend auf dem realen Neigungswert und einem Modell des Biegeverhaltens des Turms eine Auslenkung des Bereichs des Turms bestimmt. In einem Schritt 405 kann eine Information über die Auslenkung verwendet werden, um eine Überlastung des Turms zu steuern.
Erfindungsgemäß kann eine Messung der Turmkopfauslenkung einer Windkraftanlage mittels eines Beschleunigungssensors erfolgen. Ein die Auslenkung des Turmes anzeigendes Messsignal kann mit in die Regelung der Windkraftanlage einbezogen werden. Der erfindungsgemäße Ansatz kann beispielsweise als zusätzliche Regelfunktion eines Pitchreglers eingesetzt werden, um durch aktive Eingriffe die Turmschwingungen zu dämpfen.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Der erfindungsgemäße Ansatz kann generell bei Türmen oder turmähnlichen Gegenständen oder Bauwerken eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

100: Turm
102: Turmkopf
104: Rotor
112: Beschleunigungssensor
114: Vorrichtung
116: Steuereinrichtung
220: Fundament
222: Wind
224: Schubkraft
401: Verfahrensschritt
403: Verfahrensschritt
405: Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7160083 B2 [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms (100), insbesondere einer Windkraftanlage, das den folgenden Schritt umfasst: Bestimmen einer Auslenkung (a) eines Bereichs (102) des Turms (100) basierend auf einem Modell des Biegeverhaltens des Turms und einem von einer realen Neigung (a) des Bereichs des Turms abhängigen realen Neigungswert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der reale Neigungswert auf einer messbaren Winkelabweichung des Bereichs (102) gegenüber der Lotrichtung basiert.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Ermittelns des realen Neigungswerts basierend auf einer Information mindestens eines Beschleunigungssensors (112).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Modell in Bezug auf mindestens eine Eigenschwingung des Turms einen normierten Auslenkungswert und einen normierten Neigungswert des Bereichs (102) des Turms (100) umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Auslenkung (a) des Bereichs (102) basierend auf einem Lösungswert mindestens einer Schwingungsgleichung des Turms (100) und der Lösungswert basierend auf dem Modell des Biegeverhaltens bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Lösungswert basierend auf einem Beobachtersystems ermittelt wird das ausgebildet ist, um einen basierend auf dem Modell des Biegeverhaltens ermittelten modellierten Neigungswert des Bereichs (102) des Turms (100) mit dem realen Neigungswert abzugleichen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Bestimmen der Auslenkung (a) ferner basierend auf einer Information über eine Beschleunigung des Bereichs (102) des Turms (100) in oder entgegen der Richtung der Auslenkung erfolgt.
Vorrichtung (114) zum Bestimmen einer Auslenkung eines Turms (100), insbesondere einer Windkraftanlage, mit folgendem Merkmal: einer Bestimmungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Auslenkung (a) eines Bereichs (102) des Turms (100) basierend auf einem Modell des Biegeverhaltens des Turms und einem von einer realen Neigung (a) des Bereichs des Turms abhängigen realen Neigungswert zu bestimmen.
Verwendung einer Information über die mittels eines Verfahrens gemäß einem der Anspruche 1 bis 7 oder einer Vorrichtung gemäß Anspruch 8 bestimmten Auslenkung (a) des Turms (100), um eine Belastung des Turms in Richtung der Auslenkung zu steuern.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.