DE102010026371A1

DE102010026371A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für zumindest ein Rotorblatt einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102010026371A1
Application number: DE102010026371A
Authority: DE
Inventors: Felix Hess; Dr. Buchtala Boris; Dr. Voss Martin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2012003940A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für zumindest ein Rotorblatt (300) einer Windkraftanlage (102), wobei die Windkraftanlage mindestens ein, um eine Rotorachse und eine Blattlängsachse drehbares Rotorblatt, wobei sich eine Konstruktionsrotorebene (806) als gedachte Hilfsebene im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse aufspannt. Das Verfahren weist einen Schritt des Einlesens (900) eines Auslenkungssignals (x1) auf, das eine aktuelle Auslenkung des Rotorblatts aus der Konstruktionsrotorebene repräsentiert, wobei das Rotorblatt während eines Umlaufs um die Rotorachse veränderliche Auslenkungen aus der Konstruktionsrotorebene erfährt. Weiterhin umfasst das Verfahren (900) einen Schritt des Ermittelns (902) eines Anstellwinkelkorrektursignals (Δφ1) basierend auf dem Auslenkungssignal, wobei das Anstellwinkelkorrektursignal (Δφ1) geeignet ist, um bei einer Verknüpfung mit einem gemeinsamen Anstellwinkelsignal (φ) für mehrere Rotorblätter der Windkraftanlage eine Auslenkung zumindest eines Rotorblatts zu erreichen, die während eines Umlaufs um die Rotorachse näherungsweise konstant ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage, gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Der Flugkreis von Rotorblättern eines Windrotors wird bei dessen Betrieb meist ungleichmäßig von Wind durchströmt. Dadurch ergeben sich im Verlauf einer Rotordrehung veränderliche Windkräfte auf die Rotorblätter einer Windkraftanlage. 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. Bei dieser kollektiven Blattverstellung ergeben sich aufgrund der asymmetrischen aerodynamischen Lasten Nick- und Giermomente auf die Gondel. Die asymmetrischen Lasten entstehen z. B. durch Windscherungen in vertikaler Richtung, wie Grenzschichten, Gierwinkelfehler, Böen und Turbulenzen oder Aufstauung der Strömung am Turm. Ein Ansatz, diese asymmetrischen aerodynamischen Lasten zu reduzieren, ist, den Anstellwinkel der Blätter individuell zu verstellen (engl.: Individual Pitch Control, IPC). Dabei werden typischerweise Sensoren in oder an den Rotorblättern angebracht, um die Blatt-Biegemomente zu messen. Die Biegemomente dienen dann als Regelgröße für die individuelle Blattverstellung. Andere Verfahren ermitteln die Nick- und Giermomente durch Messung der Gondelbeschleunigung über Gyrometer.
Für diese Regelung sind die Blattbiegemomente sehr gut als Regelgröße geeignet. Allerdings konnte bisher noch keine für den Dauereinsatz geeignete Messtechnik gefunden werden. In die Blätter einlaminierte Fibre-Bragg-Sensoren zur Momentenmessung können im Falle eines Defekts nicht ausgetauscht werden, aufgeklebte Dehnmessstreifen-Sensoren haben eine sehr geringe Lebensdauer. Beide Verfahren haben zusätzlich das Problem, dass die Messung nur lokal am Blatt erfolgt. Lokale Inhomogenitäten im Laminat führen deshalb zu Messfehlern. Ein Rückschluss auf den globalen Spannungszustand in der Blattwurzel und damit das dort wirkende Moment ist dadurch immer mit Fehlern behaftet.
Das Dokument WO 2008 041066 A1 beschreibt eine solche Regelung, die gemessene Momente für eine Regelung der einzelnen Anstellwinkel der Blätter eines Windrotors einer Windkraftanlage als Regelgröße verwendet.
Das Dokument DE 197 39 164 A1 beschreibt eine Windkraftanlage, die für einen Ausgleich der Gier- und Nickmomente des Rotors der Windkraftanlage die Rotorblätter einzeln verstellt und in das einzelne Rotorblatt eingebrachte Dehnungsmessinstrumente verwendet, um die wirkenden Momente zu bestimmen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein Rotorblatt auf die veränderlichen Windkräfte mit einer Auslenkung reagiert, die durch die Materialkennwerte des Rotorblatts beeinflusst wird. Diese Auslenkung steht in direktem Zusammenhang zu dem resultierenden Moment an der Blattwurzel.
Vorteilhafterweise lässt eine Messung der aktuellen Auslenkung um eine Achse an einer bekannten, vordefinierten Stelle eines Rotorblatts Rückschlüsse auf das aktuell um diese Achse wirkende Moment an der Blattwurzel zu. Aus diesem Grund kann aus der einfach und zuverlässig zu bestimmenden Auslenkung ein Rückschluss auf das Moment an der Blattwurzel geschlossen werden oder das Anstellwinkelkorrektursignal auf der Basis der Auslenkung bestimmt werden. Von Interesse ist im Allgemeinen nur das Moment eines Rotorblatts senkrecht zur Rotorachse, da das Moment um die Rotorachse für eine Energiegewinnung abgegriffen wird.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht es, die Blattauslenkung einer Windkraftanlage als Regelgröße für eine Individual Pitch Control (IPC) d. h. einen IPC-Regler zu verwenden, um die asymmetrischen Lasten an einer Windkraftanlage zu verringern.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für zumindest ein Rotorblatt einer Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage mindestens ein, um eine Rotorachse und eine Blattlängsachse drehbares Rotorblatt, wobei sich eine Konstruktionsrotorebene als gedachte Hilfsebene im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse aufspannt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Einlesen eines Auslenkungssignals, das eine aktuelle Auslenkung des Rotorblatts aus der Konstruktionsrotorebene repräsentiert, wobei das Rotorblatt während eines Umlaufs um die Rotorachse veränderliche Auslenkungen aus der Konstruktionsrotorebene erfährt; und
Ermitteln eines Anstellwinkelkorrektursignals basierend auf dem Auslenkungssignal, wobei das Anstellwinkelkorrektursignal geeignet ist, um bei einer Verknüpfung mit einem gemeinsamen Anstellwinkelsignal für mehrere Rotorblätter der Windkraftanlage eine Auslenkung zumindest eines Rotorblatts zu erreichen, die während eines Umlaufs um die Rotorachse näherungsweise konstant ist.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Korrigieren eines Soll-Anstellwinkelsignals eines Rotorblatts einer Windkraftanlage, wobei der Soll-Anstellwinkelsignal einen gemeinsamen Anstellwinkel repräsentiert, der für mehrere Rotorblätter bestimmt wurde, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– die Schritte gemäß dem vorstehend genannten Verfahren zum Bereitstellen; und
– Kombinieren des Soll-Anstellwinkelsignals mit dem Anstellwinkelkorrektursignal, um ein korrigiertes Soll-Anstellwinkelsignal zu erhalten, das einem individuellen Anstellwinkel für ein vorbestimmtes Rotorblatt repräsentiert.

Vorteilhafterweise werden die Signale, die den Soll-Anstellwinkel repräsentieren, mit den Signalen, die den Anstellwinkelkorrekturanteil für das jeweilige Blatt repräsentieren, additiv überlagert, um einen korrigierten Soll-Anstellwinkel beziehungsweise ein entsprechendes Signal zu erhalten.
Desweiteren schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für zumindest ein Rotorblatt einer Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage mindestens ein, um eine Rotorachse und eine Blattlängsachse drehbares Rotorblatt, wobei sich eine Konstruktionsrotorebene als gedachte Hilfsebene im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse aufspannt, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung zum Bereitstellen eines Auslenkungssignals, das eine aktuelle Auslenkung des Rotorblattes aus der Konstruktionsrotorebene repräsentiert, wobei das Rotorblatt während eines Umlaufs um die Rotorachse veränderliche Auslenkungen aus der Konstruktionsrotorebene erfahrt; und
eine Einrichtung zum Ermitteln eines Anstellwinkelkorrektursignals basierend auf dem Auslenkungssignal, wobei das Anstellwinkelkorrektursignal geeignet ist, um bei einer Verknüpfung mit einem gemeinsamen Anstellwinkelsignal für mehrere Rotorblätter der Windkraftanlage eine Auslenkung des zumindest einen Rotorblatts zu erreichen, die gegenüber einer vorausgehenden Auslenkung dieses Rotorblattes während eines Umlaufs um die Rotorachse näherungsweise konstant ist.
Von Vorteil ist ebenso ein Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens, wenn das Programm auf einem Informationssystem, einem Steuergerät oder allgemein gesprochen auf einer Vorrichtung ausgeführt wird. Diese Vorrichtung kann ein Rechner, ein Mikrocontroller oder eine ähnliche elektronische Schaltung sein, die zur Abarbeitung von Programmen ausgelegt ist.
Eine Windkraftanlage im hier verwendeten Zusammenhang, auch als WKA abgekürzt, umfasst einen Turm oder Mast, eine Generatorengondel und einen Rotor. Der Rotor überstreicht bei einer Drehung des Rotors um seine Rotationsachse eine Fläche, den Flugkreis. Allgemein stehen die Rotorblätter in einem näherungsweise rechten Winkel zur Rotationsachse des Rotors. Daher bewegen sich die Flügel des Windrads in einem idealen Zustand ohne jegliche Krafteinwirkung näherungsweise in einer Konstruktionsrotorebene. Weicht der Rotor von seiner Idealform ab, was auf das Einwirken von Kräften, wie Gewichtskraft, Windkraft, Beschleunigungs- und Trägheitskraft zurückzuführen ist, so tritt eine Abweichung oder Auslenkung an den Blättern aus der Konstruktionsrotorebene auf. Diese Abweichung ist messbar. Die Information über die Abweichung eines einzelnen Blattes, mehreren Blättern oder aller Blätter des Rotors kann in einem Auslenkungssignal wiedergegeben werden. Das Anstellwinkelkorrektursignal repräsentiert dabei denjenigen positiven oder negativen Winkel für ein bestimmtes Rotorblatt, um den der kollektive Soll-Anstellwinkel, der für mehrere oder alle Rotorflügel eines Windrotors bestimmt wurde, geändert werden soll, um die resultierende Auslenkung des Rotorblatts an eine durchschnittliche Auslenkung mehrerer Rotorflügel anzugleichen. Die Auslenkungen, die in direktem Zusammenhang zu den resultierenden Momenten an der Blattwurzel stehen, repräsentieren die Momentenbelastung für das betreffende Rotorblatt. Vorteilhafterweise kann das Anstellwinkelkorrektursignal derart ermittelt werden, dass an allen Rotorblättern ein gleiches und möglichst konstantes Moment wirkt, so dass die Ermüdungsbelastung der Rotorblätter minimal ist. Störende Momente um Nick- und Gierachse können auf diese Weise durch die individuelle Einstellung von Anstellwinkeln der unterschiedlichen Rotorblätter unterdrückt oder zumindest reduziert werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird im Schritt des Ermittelns das Anstellwinkelkorrektursignal aus einer Differenz von einem Mittelwert der durch das Auslenkungssignal repräsentierten veränderlichen Auslenkungen der Rotorblätter und der aktuellen Auslenkung des einen Rotorblatts ermittelt werden. Ein Vorteil einer solchen Ausführungsform besteht darin mit dieser Ausführungsform Schwingungen des Einzelblatts zu erfassen und zu reduzieren, auch wenn diese eine deutlich geringere Schwingungsdauer als die Umlaufzeit des Einzelblatts aufweisen.
Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Schritt des Bereitstellens ein Signal eines Seilzugsensors verwendet werden, um das Auslenkungssignal zu bestimmen. Ein Seilzugsensor stellt eine kostengünstige Möglichkeit dar, die Auslenkung eines Blatts zu ermitteln.
Günstig ist es auch, wenn in einer anderen Ausführungsform im Schritt des Bereitstellens eine optische Erfassung von mindestens einem vordefinierten Punkt des Rotorblatts erfolgt, um ein optisches Erfassungssignal zu erhalten, wobei das Auslenkungssignal unter Verwendung des Erfassungssignals bestimmt wird. Durch eine optische Erfassung lässt sich frei von Übertragungsfehlern durch Unregelmäßigkeiten im Material, wie lokale Inhomogenitäten am Blatt, also lokale Fehler im Laminat, die Blattauslenkung messen. Eine optische Sensorik weist eine wesentlich höhere Lebensdauer und Robustheit auf, als herkömmliche Spannungs- und Dehnungsmesssensoren, da keine bewegliche Bauteile durch Ermüdung ausfallen können. Desweiteren haben lokale Materialfehler keinen Einfluss auf das Messergebnis, da die Messung über einen großen Teilbereich des Blattes stattfindet. Eine globale Verformung des Blattes wird gemessen. Materialeigenschaften des Blattes spielen keine Rolle, so dass Alterung oder Steifigkeitsänderungen durch Feuchtigkeit nicht berücksichtigt werden müssen. Es werden keine hohen Anforderungen an eine Positioniergenauigkeit gestellt. Eine Temperaturkompensation ist unnötig und es liegt keine Drift des Messsignals vor. Die Komponenten für eine solche Ausführungsform lassen sich einfach warten und kalibrieren, sowie rekalibrieren.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im Schritt des Bereitstellens mehrere vordefinierte Punkte des Rotors erfasst und aus den erfassten Punkten zumindest ein eindeutig identifizierbares Muster erkannt, wobei das Auslenkungssignal unter Verwendung des erkannten Musters bestimmt wird. Eine Erfassung mehrerer Punkte oder eines Musters erhöht die erzielbare Genauigkeit des Verfahrens, da der Informationsgehalt in den gemeinsam erfassten Punkten durch eine zusätzliche Möglichkeit der Bestimmung der Abstände der Punkte zu einander höher ist. Falls einer der Punkte durch einen Defekt oder schädliche Einflüsse nicht erkennbar sein sollte, so werden teilweise auch immer noch ausreichend viele Punkte erfasst, um eine präzise Auslenkungsinformation zur Verfügung stellen zu können.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird im Schritt des Bereitstellens eine Kamera verwendet, um die vordefinierten Punkte zu erfassen und die Auslenkung des Rotorblattes wird aufgrund einer Anordnung mehrerer Bildpunkte eines Pixelbildes der Kamera ermittelt. Als standardisiertes Bauteil lässt sich eine Kamera zur Informationsgewinnung kostengünstig und einfach einsetzen. Optisch einheitliche Zusammenhänge machen eine Verwendung unterschiedlicher Kameramodelle möglich. Dadurch besteht keine Gefahr einer Ersatzteilknappheit, falls eine Kamera getauscht werden muss.
Auch ist es günstig, wenn im Schritt des Bereitstellens von dem mindestens einen vordefinierten Punkt Licht emittiert oder reflektiert wird. Dadurch wird eine Unabhängigkeit von natürlichem Licht erreicht. Ebenfalls lassen sich so die Komponenten innerhalb eines Rotorblatts unterbringen, wo sie vor Witterungseinflüssen geschützt sind. Reflektierendes Material lässt sich in einfacher Weise nachträglich in oder an einem Rotorblatt anbringen, so dass nur ein geringer Aufwand betrieben werden muss, um eine Nachrüstung zu ermöglichen.
Entsprechend einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Schritt des Bereitstellens mindestens eine, in das Rotorblatt eingebrachte, oder an dem Rotorblatt angebrachte Lichtleiterfaser verwendet, die ausgebildet ist, um Licht von einer nahe der Rotorachse befindlichen lichtemittierenden Lichtquelle zu dem zumindest einen vordefinierten Punkt zu führen. Lichtleiterfasern sind im Allgemeinen für Elektrizität nichtleitend. Somit besteht keine Gefahr einer Materialzerstörung im Fall eines Blitzschlags. Durch die extremen Spannungen und Ströme, die bei einem Blitzschlag auftreten wäre sonst eine spontane Verdampfung von dünnen leitfähigen Komponenten möglich. Dieses Phänomen kann zu einem kompletten Verlust eingebrachter elektrischer Leitungen in einem Rotorblatt führen. Besonders relevant ist diese Problem, da Windkraftanlagen aufgrund ihrer Höhe sowie ihrer vereinzelten Aufstellung in der Umgebung eine sehr hohe Gefahr eines Blitzschlages bergen. Lichtleiter lassen sich ferner einfach verarbeiten. Unter Berücksichtigung entsprechender Verarbeitungsvorschriften lassen sich Lichtleiter gut in große Bauteile einbringen. Desweiteren ist nur eine Leitung notwendig, was den Aufwand bei der Herstellung im Vergleich zu elektrischen Leitern, die zweiadrig geführt werden müssen, erheblich verringert. In einer zusätzlichen Ausführungsform umfasst das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Ermittelns mindestens eines weiteren Anstellwinkelkorrektursignals für ein weiteres Rotorblatt der Windkraftanlage basierend auf einem weiteren Auslenkungssignal, wobei eine Beeinflussung eines Anstellwinkels um die Blattlängsachse mindestens eines weiteren der Rotorblätter unter Berücksichtigung des weiteren Anstellwinkelkorrektursignals erfolgt, so dass eine nachfolgende Auslenkung des mindestens einen weiteren Rotorblatts während eines Umlaufs um die Rotorachse näherungsweise konstant ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Bereitstellung von Anstellwinkelkorrektursignalen für mehrere Rotorblätter ein noch weiter verbesserter Ausgleich der Gier- und Nickmomente der Windkraftanlage erreicht werden kann.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Schritt des Ermittelns das Anstellwinkelkorrektursignal durch eine Nick-Gier-Transformation des Auslenkungssignals in einen Nick-Auslenkungsanteil und einen Gier-Auslenkungsanteil umgewandelt. In einer nachfolgenden Umwandlung werden der Nick-Auslenkungsanteil in einen Nick-Anstellwinkelanteil und der Gier-Auslenkungsanteil in einen Gier-Anstellwinkelanteil umgewandelt oder geregelt. Nachfolgend wird eine Nick-Gier-Rücktransformation des Nick-Anstellwinkelanteils und des Gier-Anstellwinkelanteils in das Anstellwinkelkorrektursignal durchgeführt. Durch eine Transformation der Auslenkungsinformation oder des Auslenkungssignals aus einem mit dem Rotor drehenden Achsensystem in ein gondelfestes Achsensystem kann eine quasistatische Auslenkungsverteilung gewonnen werden. Gleichzeitig repräsentiert die Auslenkungsverteilung über eine Anwendung bekannter Hebelgesetze und bekannter mechanischer Berechnungen direkt eine Momentenverteilung. Daraus lassen sich leicht diejenigen Momente extrahieren, die um eine Nick- und Gierachse der Generatorengondel der Windkraftanlage wirken. Durch eine Rückbeziehung der Momente zu den ursächlichen Auslenkungen kann über geeignete Regelparameter je ein Korrekturwinkel für Nick- und Gierachse bestimmt werden, um diese Gier- und Nickwinkel zu reduzieren. Über eine Rücktransformation in das mitdrehende Achsensystem können die Anstellwinkelkorrektursignale für die einzelnen Rotorblätter ermittelt werden. Für eine solche Regelung wird keine hohe Regelgeschwindigkeit benötigt. Vielmehr ergeben sich langsam veränderliche Auslenkungsdifferenzen, die sehr gut geeignet sind ein System mit hohen Massenträgheitsmomenten, wie eine Windkraftanlage an eine inhomogene Verteilung der Windkraft über den Flugkreis der Rotorblätter anzupassen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz;
2a und 2b Blockschaltbilder eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz;
3 eine schematische Darstellung einer Vorder- oder Rückansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotorblatts gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz;
4 ein Schaubild zur Erläuterung einer Biegewinkelerkennung gemäß einem Aus führungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes;
5 ein Schaubild zur Erläuterung einer Auslenkungserkennung gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgeschlagenen Ansatzes;
6 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotorblatts gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz;
7a und 7b eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Rotorblatts gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz;
8 eine vereinfachte Darstellung der resultierenden Verformung eines Windrotors aus der Konstruktionsrotorebene unter Windlast; und
9 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
Gleiche oder ähnlich wirkende 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 ein erstes Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz. Eine Einheit 100 zur Betriebsführung bestimmt abhängig von einer aktuellen Drehzahl n und Last einer Windkraftanlage 102 einen gemeinsamen Soll-Anstellwinkel φ für alle Rotorblätter der Windkraftanlage 102. Der Soll-Anstellwinkel φ bzw. ein entsprechendes Signal wird als Basisgröße zur Beeinflussung einer Blattwinkelverstellung um eine Blattlängsachse jedes einzelnen Rotorblatts der Windkraftanlage 102 verwendet. Die Windkraftanlage 102 umfasst eine Einrichtung zum Bereitstellen von Informationen x₁, x₂, x₃ über eine Auslenkung der einzelnen der drei Rotorblätter durch angreifende Windkräfte, die diese Informationen an eine Einrichtung zum Ermitteln 104 weiterreicht. In der Einrichtung zum Ermitteln 104 wird für jedes Rotorblatt zum Ausgleich der verschiedenen Auslenkungen je ein Anstellwinkelkorrektursignal Δφ₁, Δφ₂, Δφ₃ ermittelt. Das Anstellwinkelkorrektursignal Δφ₁, Δφ₂, Δφ₃ wird von der Einrichtung zum Ermitteln 104 ausgegeben und mit dem jeweils zu dem Rotorblatt gehörenden Signal für den Sollanstellwinkel φ addiert und ergibt die resultierenden Anstellwinkel φ₁, φ₂, φ₃, d. h. je eines für eines der drei Rotorblätter der Windkraftanlage 102.
Die Betriebsführung 100 bestimmt aufgrund einer aktuellen Lastsituation für die Windkraftanlage 102 den notwendigen kollektiven Soll-Anstellwinkel φ für alle Rotorblätter der Windkraftanlage 102, um eine erforderliche Solldrehzahl der Windkraftanlage 102 innerhalb eines engen Toleranzbereichs zu halten. Gleichzeitig beeinflusst die Betriebsführung 100 die aktuelle Lastsituation über eine Drehmomentvorgabe entsprechend einer aktuellen Windstärke. Diese Drehmomentvorgabe, die der Windkraftanlage zu geführt wird, ist in der 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Da die Rotorblätter der Windkraftanlage 102 während eines Umlaufs um die Rotorachse innerhalb einer Grenzschicht oszillieren, bewirken unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten während eines Umlaufs einen oszillierenden Verlauf der Windangriffskraft. Die oszillierende Windangriffskraft bewirkt nun ihrerseits eine oszillierende Auslenkung x₁, x₂, x₃ jedes einzelnen Rotorblatts während einer Umdrehung. Diese Auslenkung während eines Umlaufs wird als aktuelle Auslenkung x₁, x₂, x₃ jedes einzelnen Rotorblatts durch die Einrichtung zum Bereitstellen als Auslenkungssignal x₁, x₂, x₃ an die Einrichtung zum Ermitteln 104 weitergegeben.
In der Einrichtung zum Ermitteln 104 werden Anstellwinkelkorrektursignale Δφ₁, Δφ₂, Δφ₃ ermittelt, die eine Angleichung der einzelnen Auslenkungen x₁, x₂, x₃ der unterschiedlichen Rotorblätter ermöglichen. Die Aufgabe der Einrichtung zum Ermitteln 104 ist es, die Abweichungen der Rotorblätter von einem gleich bleibenden und gleichmäßigen Gesamtauslenkungszustand klein (idealerweise nahe null) zu halten, um im Material der Rotorblätter Ermüdungserscheinungen durch wechselnde Belastungen zu verringern. Zusätzlich wird die Belastung für alle anderen Komponenten der Windkraftanlage 102 reduziert, welche die aus den veränderlichen Kräften während eines Umlaufs resultierenden Momente abstützen. Entsprechend einer Reduktion der Auslenkungen x₁, x₂, x₃ verlängert sich die Lebensdauer aller beteiligter Komponenten.
Der hier vorgestellte Ansatz hat den Vorteil, dass die Blattauslenkung wesentlich einfacher als das Blattbiegemoment messbar ist. Es ist ausreichend, die Auslenkung eines beliebigen Punktes aus der Rotorebene d. h. Konstruktionsrotorebene zu messen. So kann beispielsweise die Blattauslenkung an der Blattspitze als Regelsignal verwendet werden. Es ist aber auch möglich die Blattauslenkung näher am Blattfuß zu messen, z. B. auf halber Blattlänge oder 1/4 der Blattlänge, etc. Ein gewisser Mindestabstand zum Blattfuß sollte aber eingehalten werden, um ausreichend große und damit präzise messbare Blattauslenkungen zu erhalten. Die Auslenkung direkt am Blattfuß ist immer null, eine Messung dort also sinnlos. Verfahren zur Blattauslenkungsmessung können über Beschleunigungssensoren im Blatt realisiert werden, oder durch Abstandsmessungen wie beispielsweise Seilzugsensoren oder optische Entfernungsmessung realisiert werden.
2a und 2b zeigen je ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz. Wie in 1 bereits beschrieben, gibt eine Betriebsführung 100 einen Soll-Anstellwinkel φ entsprechend einer aktuellen Drehzahl n oder Ω und einer aktuellen Lastsituation P abhängig von einer aktuellen Windstärke an eine Windkraftanlage 102 weiter, wie es einer Standard-Regelung 200 entspricht. Die Windkraftanlage 102 ist, wie in 1 beschrieben, aerodynamischen Phänomenen unterworfen. Daraus resultieren an den Rotorblättern der Windkraftanlage während eines Umlaufs unterschiedliche Auslenkungen x₁, x₂, x₃. Diese werden in einer Einrichtung zum Bereitstellen an eine Einrichtung 201 zur Transformation weitergegeben. Ebenso greift die Einrichtung 201 zur Transformation auf eine Rotordrehposition π zu, die ebenfalls von der Windkraftanlage ausgegeben wird und die eine aktuelle Winkelposition des Rotors während eines Umlaufs bezeichnet. Von der Einrichtung zur Transformation 201 werden die unterschiedlichen Auslenkungen x₁, x₂, x₃ der Rotorblätter in Werte x_D und x_Q in Koordinaten eines Windkraftanlagenfesten Koordinatensystem umgerechnet. Eine Nick-Auslenkung x_D wird in einem Regler 202 für die Nick-Komponente zu einem Anstellwinkel-Korrekturanteil Δφ_D für die Nickkomponente verarbeitet. Eine Gier-Auslenkung x_Q wird in einem Regler 204 für die Gier-Komponente zu einem Anstellwinkelkorrektursignal Δφ_Q für die Gierkomponente verarbeitet. In einer Einrichtung 206 zur Rücktransformation werden anschließend die Korrektursignale für Gierkomponente Δφ_Q und Nickkomponente Δφ_D erneut in ein rotorbezogenes, also umlaufendes Koordinatensystem transformiert. Dazu greift die Einrichtung 206 zur Rücktransformation wieder auf eine das Signal zu, das die Rotordrehposition oder Winkelposition π repräsentiert. Damit ergeben sich die Anstellwinkelkorrektursignale Δφ₁, Δφ₂, Δφ₃ für die einzelnen Rotorblätter des Rotors, die dem jeweiligen Signal für den Soll-Anstellwinkel φ überlagert werden und die resultierenden Signale ergeben, die die individuellen Anstellwinkel φ₁, φ₂, φ₃ repräsentieren.
Für die IPC-Regler nach dem Stand der Technik besteht das Ziel darin, asymmetrische Lasten am Rotor zu minimieren. Dazu werden die Blattbiegemomente in Schlagrichtung gemessen und durch den IPC-Regler die Asymmetrien in den drei gemessenen Momenten reduziert. Die Idee des vorgestellten Ansatzes besteht darin, dass Blattbiegemomente mit einer Auslenkung des Blattes einhergehen also einer Auslenkung in Schwenk- und Schlag-Richtung. Für individuelle Anstellwinkelverstellung ist die Schlagrichtung hauptsächlich relevant. Statt der Blattbiegemomente kann deshalb auch die Auslenkung als Regelgröße für die IPC-Regelung verwendet werden. Ob der tatsächliche Zusammenhang zwischen Auslenkung und Belastung linear ist oder Nichtlinearitäten beinhaltet, ist für das Ziel der Reduktion asymmetrischer Lasten irrelevant. Die einzige Annahme für das hier vorgestellte Verfahren besteht darin, dass die Blätter bei gleicher Belastung die gleiche Auslenkung zeigen. Ziel der hier vorgestellten Regelung besteht nun darin, dass asymmetrische Verformungen ausgeregelt werden, was bedeutet, die Verformungen aller Blätter der Windkraftanlage sollen gleich sein.
Bisher werden die an der Blattwurzel gemessenen Biegemomente durch die DQ-Transformation in ein stehendes Koordinatensystem transformiert. Dort werden durch jeweils einen Regler die D-Komponente, das Nickmoment des Rotors, und die Q-Komponente, das Giermoment, zu null geregelt. Ziel ist also den Rotor an der Nabe nick- und giermomentenfrei zu bekommen. Die Regler erzeugen dazu jeweils einen Pitchwinkel-Anteil im stehenden Koordinatensystem. Diese zwei Anteile werden durch die DQ^–1-Transformation zurück in die rotierenden Koordinatensysteme der drei Blätter transformiert. Es werden dadurch die drei individuellen Pitchwinkel für die Blätter berechnet.
Wird nun, gemäß dem hier beschriebenen Ansatz, die Blattauslenkung vorteilhaft als Messgröße verwendet, ändert sich an der Struktur des IPC-Reglers wenig. Die DQ-Transformation berechnet aus den drei gemessenen Auslenkungen eine Auslenkung in D-Richtung sowie eine Auslenkung in Q-Richtung. Die beiden Regler versuchen nun diese beiden Auslenkungen zu Null zu regeln. Die dafür erzeugten D- und Q-Pitchanteile werden durch die inverse DQ-Transformation, d. h. eine DQ^–1-Transformation, analog zum oben beschriebenen Verfahren zurück in das rotierende Koordinatensystem transformiert und erzeugen dadurch für alle drei Blätter individuelle Pitchwinkel oder individuelle Pitchwinkel-Korrektursignale.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorder- oder Rückansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotorblatts gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz. Ein Rotorblatt 300 weist im Bereich einer Blattwurzel oder eines Blattfußes 302 eine optische Erfassungseinrichtung 304 auf. Die optische Erfassungseinrichtung 304 kann Teile des Rotorblatts 300 oder auf einer Oberfläche des Rotorblatts 300 in einem Erfassungsbereich (angedeutet durch die gestrichelten Linien) erfassen. Das Rotorblatt 300 weist eine Reihe von vordefinierten Punkten oder Punktmustern 306, 308, 310 auf, die durch ein individuelles Muster voneinander unterscheidbar sind. Die vorbestimmten Punkte 306, 308, 310 befinden sich im Erfassungsbereich der optischen Erfassungseinrichtung 304. Die optische Erfassungseinrichtung 304 kann beispielsweise eine Kamera sein. Die optische Erfassungseinrichtung 304 stellt eine Information bereit, die die optische Information über den Erfassungsbereich repräsentiert. In der optischen Information ist auch Information über die vordefinierten Punkte 306, 308, 310 enthalten. Verlässt das Rotorblatt 300 durch eine Krafteinwirkung seiner Ruhelage, so verändern sich die optischen Informationen, die die optische Erfassungseinrichtung 304 bereitstellt. Ein Punktemuster, das die Informationen über die vorbestimmten Punkte 306, 308, 310 repräsentiert, verändert seine Lage innerhalb der optischen Information entsprechend einer Veränderung der Lage der vordefinierten Punkte 306, 308, 310 mit dem Rotorblatt. Diese Veränderung kann jetzt für ein Bereitstellen einer Auslenkungsinformation ausgewertet werden. Falls eine fehlende Beleuchtungsstärke eine Erkennung der vorbestimmten Punkte durch die auf der optische Erfassungseinrichtung beeinträchtigt oder unmöglich macht, so kann mithilfe einer Lichtquelle 312 für eine ausreichende Beleuchtung gesorgt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei wenn die vordefinierten Punkte 306, 308, 310 eine erhöhte Sichtbarkeit aufweisen.
4 zeigt ein Schaubild einer Biegewinkelerkennung oder Verdrehungsmessung gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz. Eine Anordnung von vorbestimmten Punkten ist in zwei verschiedenen Zuständen 410 und 420 dargestellt. Im ersten Zustand 410 befinden sich die mehreren Punkte 412, 414, 416 und 418 ohne Auslenkung in einer Reihe angeordnet. Verändert sich nun im zweiten Zustand 420 die Auslenkung der Punkte 412, 414, 416 und 418 beispielsweise wenn die Reihe ihren Relativwinkel α zu einem Ausgangszustand verändert. Da die Abstände 1 der Punkte 412, 414, 416 und 418 untereinander gleich bleiben, verändern sich durch die Verkippung, Auslenkung oder Verdrehung der Reihe, die optisch erfassbaren Abstände der Punkte 412, 414, 416 und 418 untereinander gemäß dem Zusammenhang 1·cosα. Der Abstand 1 der Punkte wird also um 1·cosα verkürzt.
Wenn ein Rotorblatt aerodynamischen oder anderen Kräften ausgesetzt ist, so reagiert es auf diese Kräfte mit einer Ausweichbewegung. Da das Rotorblatt an seinem Fuß fest eingespannt ist kann es dort nicht ausweichen. Infolge der angreifenden Kräfte verformt sich das Rotorblatt mit zunehmendem Abstand vom Blattfuß immer mehr. Daraus resultiert eine ansteigende Abweichung des Winkels der Blattlängsachse von der Ruhelage der Blattlängsachse. Diese Winkelabweichung ist durch eine Auswertung der messbaren Abstände der Punkte 412, 414, 416 und 418 im Bild der Kamera 400 im Zustand 420 ermittelbar. Der Abstand der Punkte verkürzt sich um cosα.
Eine Messung der Blattauslenkung einer Windkraftanlage mittels einer Kamera, welche einen künstlichen Sternenhimmel im Rotorblatt beobachtet ist ebenfalls möglich. Die Auslenkung kann nun durch die Verschiebung des Punktemusters von der Kamera gemessen werden. Als Kamera kann eine einfache Schwarz/Weiß-Kamera mit Fest-Fokus verwendet werden. Die Auflösung der Kamera kann im Bereich von 1000 × 1000 Pixeln liegen. Die Messauflösung wird dann durch den Zoomfaktor der Kamera bestimmt. Besitzt sie beispielsweise einen Bildbereich von 1 m × 1 m, so beträgt die Messauflösung für die Auslenkung 1 mm. Moderne Bildverarbeitungsalgorithmen sind sogar subpixelgenau, so dass die Auflösung weiter erhöht werden kann. Die verfügbare Kameratechnik ist bewährt und robust. 5 zeigt ein Schaubild einer Auslenkungserkennung gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz unter Verwendung einer Kamera. Zwei Bildausschnitte 500 und 502 einer Kamera sind übereinander angeordnet, wobei das Kamerabild 500 im unausgelenkten Zustand aufgenommen ist und das Kamerabild 502 im ausgelenkten Zustand des Rotorblattes aufgenommen ist. Der Ausschnitt 500 zeigt eine Gruppe von vordefinierten Punkten 306. Der Ausschnitt 502 zeigt zwei Gruppen von vorbestimmten Punkten 306, 308. Die Punktegruppe 306 weist im Ausschnitt 502 eine Verschiebung 504 gegenüber dem Ausschnitt 500 auf. Die Punktegruppe 308 ist im Ausschnitt 500 nicht sichtbar, ist jedoch im Ausschnitt 502 aufgrund der Verschiebung der Gruppen 306 und 308 und der gemeinsamen Anordnung der Punkte auf dem Rotorblatt sichtbar. Aus dem optischen Zusammenhang der Verschiebung in den Bildpunkten und der tatsächlichen Verschiebung des Rotorblatts und damit der auf dem Rotorblatt vordefinierten Punkte 306, 308 lässt sich diese tatsächliche Verschiebung ermitteln. Durch die Anordnung der Punktegruppen in verschiedenen Abständen von der Blattwurzel ergeben sich unterschiedliche Verschiebungen der Punktegruppen. Die Kamera kann diese Unterschiede wiedergeben und im Schritt des Bereitstellens lässt sich daraus ein Auslenkungssignal für unterschiedliche Abstände von der Blattwurzel ausgeben. Falls eine oder mehrere der Punktegruppen mit dem Rotorblatt über einen Erfassungsbereich der Kamera hinaus verschoben werden sollten, so ist durch die Verteilung der Punktegruppen über die Länge des Rotorblatts sichergestellt, das mindestens eine Punktegruppe im Erfassungsbereich erfassbar bleibt.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rotorblatts gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz. Das Rotorblatt 300 weist an seinem Blattfuß 302 eine optische Erfassungseinrichtung 304 auf. Mehrere Punktegruppen 306, 308, 310 sind über die Länge des Rotorblatts verteilt und befinden sich in einem Erfassungsbereich der optischen Erfassungseinrichtung 304. Am Fuße 302 des Rotorblatts 300 befindet sich eine Lichtquelle 600 die über Lichtleiter 602 das Licht der Lichtquelle 600 zu den Punktegruppen 306, 308, 310 leitet. Die Punkte der Punktegruppen bilden dabei freie Enden des Lichtleiters, aus denen das Licht aus dem Lichtleiter in die Umgebung austreten kann. Das austretende Licht aus den Enden der Lichtleiter 602 bildet die unterscheidbaren Muster der Punktegruppen 306, 308, 310 und wird von der Erfassungseinrichtung 304 erfasst. Unter dem Einfluss beispielsweise von Windkraft und Schwerkraft verformt sich das Blatt 300 zunehmend vom Blattfuß 302 zur Blattspitze. Damit verändern die Punktegruppen 306, 308, 310 ebenfalls vom Blattfuß 302 zur Spitze zunehmend ihre Lage. Dies wird durch die optische Erfassungseinrichtung 304 registriert und aus der optischen Information lässt sich im Schritt des Bereitstellens das Auslenkungssignal generieren. Durch die Verwendung von Lichtleitern 602 verringert sich die Empfindlichkeit des Rotorblatts 300 gegenüber Blitzschäden, da keine elektrischen Leitungen innerhalb oder außerhalb des Blatts 300 eingebracht werden müssen.
7a und 7b zeigen je eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Rotorblatts gemäß dem hier vorgeschlagenen Ansatz. Ein Rotorblatt 300 erstreckt sich in z Richtung und weist innerhalb seines Blattfußes 302 eine Kamera 304 auf. Die Kamera 304 ist auf Punktegruppen 306, 308, 310 gerichtet und kann sie erfassen. Im Blattfuß oder Blattwurzel 302 befindet sich ebenfalls eine Lichtquelle 600 beispielsweise eine LED, die über Lichtleiter 700 beispielsweise aus Glasfaser das Licht der Lichtquelle 600 zu den Punkten 306, 308, 310 leitet. Im Inneren des Blatts 300 befinden sich Spanten 702 zur Verstärkung des Rotorblatts 300. Wenn sich das Rotorblatt 300 aus seiner Ruhelage biegt, ist es möglich dass Spanten 702 die Sicht auf eine oder mehrere der Punktegruppen 306, 308, 310 einschränken. Durch eine Verteilung der Punkte 306, 308, 310 über die Länge des Blattes 300 ist jedoch sichergestellt, dass die Kamera 304 mindestens eine der Punktegruppen 306, 308, 310 im Erfassungsbereich behält. Durch die Anordnung von Kamera 304, Lichtquelle 600 und Lichtleiter 700 im Inneren des Blatts 300 sind alle Komponenten vor Umwelteinflüssen und Verschmutzung geschützt.
Im Rotorblatt kann ein künstlicher Sternenhimmel 306 erzeugt werden. Damit kann eine Verschiebung des Sternenhimmels im Vergleich zum unausgelenkten Sternenhimmel berechnet werden. Daraus ergibt sich direkt die Auslenkung des Rotorblatts in Schwenk- und Schlagrichtung an der betrachteten Stelle. Durch eine Messung der Stern-Abstände lässt sich auch der lokale Biegewinkel des Rotorblatts an der betrachteten Stelle berechnen. Sollten Spanten im Rotorblatt das Sichtfeld der Kamera einschränken, so kann die optische Sensorik die Auslenkung trotzdem messen, wenn der Sternenhimmel aus unterscheidbaren Punkte-Gruppen besteht. Die Verdrehung des Sternenhimmels kann wie dargestellt durch die Verkürzung der Punktabstände gemessen werden. Dies funktioniert auch für 2-dimensionale Auslenkungen oder Verdrehungen in Schlag- und Schwenkrichtung. Der Messbereich der Auslenkung kann wesentlich größer als 1 m sein, wenn der Sternenhimmel entsprechend größer ist und aus unterscheidbaren Punktmustern besteht.
Kern des vorgestellten Konzepts ist die Messung der Blattauslenkung einer Windkraftanlage mittels einer Kamera, welche einen künstlichen Sternenhimmel im Rotorblatt beobachtet. Dadurch lässt sich eine Messvorrichtung für dieses Verfahren so aufbauen, dass alle elektronischen Komponenten direkt im Blattfuß montiert sind. Dies erlaubt eine vor Blitzschlag geschützte Montage und eine einfache Austauschbarkeit im Falle eines Defekts. Das Licht für das Punktmuster des Sternenhimmels wird durch eine Lichtquelle, wie eine lichtemittierende Diode LED, eine Glühlampe oder eine Gasentladungslampe in der Blattwurzel erzeugt, von welcher eine oder mehrere Lichtleiterfasern zu den einzelnen Leuchtpunkten führt. Es müssen also keine elektrischen Leitungen im Rotorblatt verlegt werden, was bei Blitzeinschlag störungsanfällig sein kann. Der künstliche Sternenhimmel sollte weit genug im Rotorblatt montiert werden, damit die Auslenkung des Rotorblatts an der Messstelle genügend groß ist, so dass eine Verschiebung gemessen werden kann.
8 zeigt eine vereinfachte Darstellung der resultierenden Verformung eines Windrotors aus der Konstruktionsrotorebene unter Windlast. Eine Windkraftanlage 800 mit einem Rotor 802 wird von Wind beaufschlagt. Der Rotor 802 wird durch den Winddruck um eine Auslenkung 804 aus der Konstruktionsrotorebene 806 ausgelenkt. Die Auslenkung 804 an der Blattspitze des Rotors 802 ist ein Maß für ein an der Blattwurzel wirkendes Moment. Ist die Verteilung der Auslenkung 804 über den Rotor nicht gleichmäßig, beispielsweise oben größer als unten, wirkt ein resultierendes Moment auf die Windkraftanlage 800. Durch eine Angleichung der Auslenkungen der Rotorblätter über den Rotor 802 verschwindet das resultierende Moment auf die WKA 800.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für zumindest ein Rotorblatt einer Windkraftanlage. Dabei weist die Windkraftanlage mindestens zwei, um eine Rotorachse und je eine Blattlängsachse drehbare Rotorblätter, sowie eine, im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse aufgespannte Konstruktionsrotorebene auf. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens 900 eines Auslenkungssignals, das eine Mehrzahl von aktuellen Auslenkungen der Rotorblätter aus der Konstruktionsrotorebene repräsentiert, wobei die Rotorblätter während eines Umlaufs der Rotorblätter um die Rotorachse veränderliche Auslenkungen aus der Konstruktionsrotorebene erfahren. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Ermittelns 902 eines Anstellwinkelkorrektursignals ausgehend von dem Auslenkungssignal, das Anstellwinkelkorrektursignal geeignet ist, bei um bei einer Verknüpfung mit einem gemeinsamen Anstellwinkelsignal für mehrere Rotorblätter eine Auslenkung zumindest eines Rotorblatts zu erreichen, die gegenüber einer vorausgehenden Auslenkung dieses Rotorblattes verringert ist.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

100: Betriebsführung
102: Windkraftanlage
104: Einheit zum Ermitteln Soll-Anstellwinkel
φ₁: resultierender Anstellwinkel 1
φ₂: resultierender Anstellwinkel 2
φ₃: resultierender Anstellwinkel 3
x₁: Auslenkungsinformationen Rotorblatt 1
x₂: Auslenkungsinformationen Rotorblatt 2
x₃: Auslenkungsinformationen Rotorblatt 2
Δφ₁: Anstellwinkelkorrektursignal 1
Δφ₂: Anstellwinkelkorrektursignal 2
Δφ₃: Anstellwinkelkorrektursignal 3
N, Ω: aktuelle Drehzahl
P: Lastmoment
x_D: Auslenkung in Nickrichtung
x_Q: Auslenkung in Gierrichtung
Δφ_D: Anstellwinkelkorrektursignal Nickrichtung
Δφ_Q: Anstellwinkelkorrektursignal Gierrichtung Positionsinformation, Winkelinformation
300: Rotorblatt
302: Blattfuß, Blattwurzel
304: optische Erfassungseinrichtung, Kamera
306: erste Punktegruppe
308: zweite Punktegruppe
310: dritte Punktegruppe
312: Lichtquelle
400: Kamera
410: erster Zustand unverdreht
412: erster Punkt
414: zweiter Punkt
416: dritter Punkt
418: vierter Punkt
420: zweiter Zustand verdreht
500: erster Bildausschnitt
502: zweiter Bildausschnitt
504: Abstand erste Gruppe
506: Abstand zweite Gruppe
600: Lichtquelle im Blattfuß
602: Lichtleiter an die Blattoberfläche
700: Lichtleiter im Blattinneren
702: Einschränkung der Sicht durch Spanten
800: Windkraftanlage
802: Rotor
804: Auslenkung
806: Konstruktionsrotorebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008041066 A1 [0004]
DE 19739164 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals für zumindest ein Rotorblatt (300) einer Windkraftanlage (102), wobei die Windkraftanlage mindestens ein, um eine Rotorachse und eine Blattlängsachse drehbares Rotorblatt, sowie eine, wobei sich eine Konstruktionsrotorebene (806) als gedachte Hilfsebene im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse aufspannt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Einlesen (900) eines Auslenkungssignals (x₁), das eine aktuelle Auslenkung des Rotorblatts aus der Konstruktionsrotorebene repräsentiert, wobei das Rotorblatt während eines Umlaufs um die Rotorachse veränderliche Auslenkungen aus der Konstruktionsrotorebene erfährt; und Ermitteln (902) eines Anstellwinkelkorrektursignals (Δφ₁) basierend auf dem Auslenkungssignal, wobei das Anstellwinkelkorrektursignal (Δφ₁) geeignet ist, um bei einer Verknüpfung mit einem gemeinsamen Anstellwinkelsignal (φ) für mehrere Rotorblätter der Windkraftanlage eine Auslenkung zumindest eines Rotorblatts zu erreichen, die während eines Umlaufs um die Rotorachse näherungsweise konstant ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei im Schritt des Ermittelns (902) das Anstellwinkelkorrektursignal (Δφ₁) aus einer Differenz von einem Mittelwert der durch das Auslenkungssignal (x₁) repräsentierten veränderlichen Auslenkungen der Rotorblätter und der aktuellen Auslenkung des einen Rotorblatts (300) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt (900) des Bereitstellens ein Signal eines Seilzugsensors verwendet wird, um das Auslenkungssignal (x₁) zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei im Schritt (900) des Bereitstellens eine optische Erfassung von mindestens einem vordefinierten Punkt (306, 308, 310) des Rotorblatts (300) erfolgt, um ein optisches Erfassungssignal zu erhalten, wobei das Auslenkungssignal (x₁) unter Verwendung des Erfassungssignals bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei im Schritt (900) des Bereitstellens mehrere vordefinierte Punkte (306, 308, 310) des Rotors (802) erfasst werden und aus den erfassten Punkten zumindest ein eindeutig identifizierbares Muster erkannt wird, wobei das Auslenkungssignal (x₁) unter Verwendung des erkannten Musters bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei im Schritt des Bereitstellens eine Kamera (304) verwendet wird, um die vordefinierten Punkte (306, 308, 310) zu erfassen und die Auslenkung (504) des Rotorblattes aufgrund einer Anordnung mehrerer Bildpunkte in einem Pixelbild (500, 502) der Kamera ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei im Schritt (900) des Bereitstellens von dem mindestens einen vordefinierten Punkt (306, 308, 310) Licht emittiert oder reflektiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei im Schritt (900) des Bereitstellens mindestens eine, in das Rotorblatt (300) eingebrachte, oder an dem Rotorblatt angebrachte Lichtleiterfaser (602, 700) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Verfahren einen zusätzlichen Schritt des Ermitteln mindestens eines weiteren Anstellwinkelkorrektursignals (Δφ₂) für ein weiteres Rotorblatt der Windkraftanlage basierend auf einem weiteren Auslenkungssignal (x₂) aufweist, wobei eine Beeinflussung eines Anstellwinkels (φ₂) um die Blattlängsachse mindestens eines weiteren der Rotorblätter unter Berücksichtigung des weiteren Anstellwinkelkorrektursignals (Δφ₂) eine nachfolgende Auslenkung des mindestens einen weiteren Rotorblatts (300) während eines Umlaufs um die. Rotorachse näherungsweise konstant ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei im Schritt des Ermittelns (902) das Anstellwinkelkorrektursignal (Δφ₁) durch eine Nick-Gier-Transformation (201) der Auslenkungssignale aller Rotorblätter (x₁, x₂, x₃) in einen Nick-Auslenkungsanteil (x_D) und einen Gier-Auslenkungsanteil (x_Q), einer nachfolgenden Umwandlung (202, 204) des Nick-Auslenkungsanteils in einen Nick-Anstellwinkelanteil (Δφ_D) und des Gier-Auslenkungsanteils in einen Gier-Anstellwinkelanteil (Δφ_Q) sowie einer nachfolgenden Nick-Gier-Rücktransformation (206) des Nick-Anstellwinkelanteils und des Gier-Anstellwinkelanteils in den Anstellwinkelkorrektursignal (Δφ₁, Δφ₂, Δφ₃) ermittelt wird.
Verfahren zum Korrigieren eines Soll-Anstellwinkels (φ) eines Rotorblatts (300) einer Windkraftanlage (102), mit folgenden Schritten: – die Schritte des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10; und – Kombinieren des Soll-Anstellwinkels (φ) mit dem Anstellwinkelkorrektursignal (Δφ₁, Δφ₂), um einen korrigierten Soll-Anstellwinkel (φ₁, φ₂) zu erhalten.
Vorrichtung zum Bereitstellen eines Anstellwinkelkorrektursignals (Δφ₁) für zumindest ein Rotorblatt (300) einer Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage mindestens ein, um eine Rotorachse und eine Blattlängsachse drehbares Rotorblatt, wobei sich eine Konstruktionsrotorebene (806) als gedachte Hilfsebene im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse aufspannt, wobei das Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung (102) zum Bereitstellen eines Auslenkungssignals, das eine aktuelle Auslenkung des Rotorblattes aus der Konstruktionsrotorebene repräsentiert, wobei das Rotorblatt während eines Umlaufs um die Rotorachse veränderliche Auslenkungen aus der Konstruktionsrotorebene erfährt; und eine Einrichtung (104) zum Ermitteln eines Anstellwinkelkorrektursignals (Δφ₁) basierend auf dem Auslenkungssignal (x₁), wobei das Anstellwinkelkorrektursignal (Δφ₁) geeignet ist, um bei einer Verknüpfung mit einem gemeinsamen Anstellwinkelsignal (φ) für mehrere Rotorblätter der Windkraftanlage eine Auslenkung des zumindest einen Rotorblatts zu erreichen, die gegenüber einer vorausgehenden Auslenkung dieses Rotorblattes während eines Umlaufs um die Rotorachse näherungsweise konstant ist.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wenn das Programm auf einem Informationssystem ausgeführt wird.