DE102010027229A1 - Method and device for providing a parking angle correction signal for a predetermined rotor blade of a wind turbine - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren (900) zur Bereitstellung eines Anstellwinkel-Korrektursignals (139) für ein vorbestimmtes Rotorblatt (210) aus einer Mehrzahl von Rotorblättern einer Windkraftanlage (110). Dabei ist das Anstellwinkel-Korrektursignal zur Veränderung eines Signals (145) zur Ansteuerung eines individuellen Anstellwinkels für das Rotorblatt vorgesehen. Das Verfahren (900) weist einen Schritt des Einlesens (910) eines Rotorblatt-Positionssignals (120) auf, das eine Winkelposition (Ω1) des Rotorblattes bezüglich einer Drehachse (310) des Rotors der Windkraftanlage repräsentiert und/oder Einlesen einer Drehgeschwindigkeit (ω) des Rotorblattes um die Drehachse (310). Weiterhin umfasst das Verfahren (900) einen Schritt des Ermittelns (920) des Anstellwinkel-Korrektursignals (139) für das vorbestimmte Rotorblatt der Windkraftanlage unter Verwendung eines in einem Speicher (137) abgelegten Zusammenhangs zwischen einer Winkelposition und einem Anstellwinkel-Korrekturfaktor, wobei das Anstellwinkel-Korrektursignal den Anstellwinkel-Korrekturfaktor repräsentiert, der bei einer Verwendung eine Korrektur des Signals (145) zur Ansteuerung des individuellen Anstellwinkels für das vorbestimmte Rotorblatt bewirkt, sodass eine Wirkung eines Momentes (M1) auf das vorbestimmte Rotorblatt einer Wirkung eines Momentes (M2, M3) auf zumindest ein weiteres Rotorblatt der Windkraftanlage angeglichen wird und wobei das Ermitteln unter Verwendung des eingelesenen Rotorblatt-Positionssignals und/oder der eingelesenen Drehgeschwindigkeit erfolgt.The present invention provides a method (900) for providing a pitch correction signal (139) for a predetermined rotor blade (210) from a plurality of rotor blades of a wind turbine (110). The pitch correction signal is provided to change a signal (145) to control an individual pitch for the rotor blade. The method (900) has a step of reading in (910) a rotor blade position signal (120) which represents an angular position (Ω1) of the rotor blade with respect to an axis of rotation (310) of the rotor of the wind turbine and / or reading in a rotational speed (ω) of the rotor blade around the axis of rotation (310). The method (900) further comprises a step of determining (920) the angle of attack correction signal (139) for the predetermined rotor blade of the wind power plant using a relationship between an angle position and a angle of attack correction factor stored in a memory (137), wherein the angle of attack -Correction signal represents the angle of attack correction factor which, when used, causes a correction of the signal (145) for controlling the individual angle of attack for the predetermined rotor blade, so that an effect of a moment (M1) on the predetermined rotor blade an effect of a moment (M2, M3 ) is adjusted to at least one other rotor blade of the wind power plant and the determination is carried out using the read rotor blade position signal and / or the read rotational speed.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Anstellwinkel-Korrektursignals für ein vorbestimmtes Rotorblatt aus einer Mehrzahl von Rotorblättern einer Windkraftanlage gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.The present invention relates to a method and an apparatus for providing a pitch correction signal for a predetermined rotor blade of a plurality of rotor blades of a wind turbine according to the independent claims.
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 (auch als Pitchwinkel bezeichnet) der aerodynamische Auftrieb und somit das Antriebsmoment in solcher Weise verändert wird, dass eine Reduktion der für das Antriebsmoment verantwortlichen Auftriebskraft erreicht werden kann und somit die Anlage im Bereich der Nenndrehzahl gehalten werden kann. Bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Abschaltgeschwindigkeit wird dieser Blattverstellmechanismus zudem als Bremse benutzt, indem die Blätter mit der Nase in den Wind gestellt werden, so dass der Rotor keine nennenswerten Antriebsmomente mehr liefert. Die Rotorblätter können dann als aerodynamische Bremsen verwendet werden indem sie komplett in die Windanströmrichtung gestellt werden (Fahnenstellung) oder der Anströmwinkel so stark erhöht wird, dass die Strömung abreist (Stall). Bei dieser kollektiven Blattverstellung (Collective Pitch Control = CPC) ergeben sich aufgrund asymmetrischer aerodynamischer Lasten Nick- und Giermomente auf die Gondel. Die asymmetrischen Lasten entstehen z. B. durch Windscherungen in vertikaler Richtung (Grenzschichten), Gierwinkelfehler, Böen und Turbulenzen, Aufstauung der Strömung am Turm etc. In letzter Zeit wird verstärkt ein neuer Ansatz für die Regelung von Dreiflügler-Windkraftanlagen untersucht, welcher zusätzlich zu dem kollektiven Pitchwinkel einen individuellen Pitchwinkel der einzelnen Rotorblätter berechnet. Die individuelle Pitchverstellung (engl. Individual Pitch Control = IPC) erlaubt eine Reduzierung der asymmetrischen Lasten, welche über die Gondel auf die Nabe übertragen werden. Hierzu werden die an den einzelnen Rotorblattwurzeln wirkenden Biegemomente gemessen und die für die Reduktion des Gier- und Nickmomentes nötige individuelle Blattverstellung berechnet. Die aus der IPC- und CPC-Regelung berechneten Pitchwinkel werden dann als Vorgabe an die Regler der entsprechenden Pitchaktuatoren gesendet. Die Biegemomente dienen somit als Regelgröße für die individuelle Blattverstellung.In wind turbines with a horizontal axis and at least two rotor blades, synchronously adjusting the blade angle, the speed above the rated wind speed is controlled so that by changing the angle of attack (also referred to as the pitch angle) of the aerodynamic lift and thus the drive torque is changed in such a way that a reduction of the buoyancy force responsible for the drive torque can be achieved and thus the system can be maintained in the range of rated speed. At wind speeds above the shutdown speed, this blade pitch mechanism is also used as a brake by putting the blades nose-to-wind so that the rotor no longer delivers any significant drive torque. The rotor blades can then be used as aerodynamic brakes by being placed completely in the Windanströmrichtung (flag position) or the angle of attack is increased so much that the flow leaves (stable). Collective pitch control (CPC) results in pitching and yawing moments on the nacelle due to asymmetric aerodynamic loads. The asymmetric loads arise z. For example, by wind shear in the vertical direction (boundary layers), yaw angle errors, gusts and turbulence, impoundment of the flow at the tower, etc. Lately, a new approach for the control of three-wing wind turbines is increasingly examined, which in addition to the collective pitch angle an individual pitch angle calculated the individual rotor blades. The individual pitch control (IPC) allows a reduction in the asymmetrical loads transmitted to the hub via the nacelle. For this purpose, the bending moments acting on the individual rotor blade roots are measured and the individual blade adjustment necessary for the reduction of the yawing and pitching moments is calculated. The pitch angles calculated from the IPC and CPC control are then sent as default to the controllers of the corresponding pitch actuators. The bending moments thus serve as a control variable for the individual blade adjustment.
Andere Verfahren ermitteln die Nick- und Giermomente durch Messung der Gondelbeschleunigung über Gyrometer oder durch Sensoren, welche über Abstandsmessungen die durch die Belastungen auftretenden Verformungen von Anlagenteilen messen und dadurch die Belastungen bestimmen. Ein solcher Ansatz ist beispielsweise in der Druckschrift
Die Regelung der Rotorblätter-Anstellwinkel ist jedoch in einigen Situationen zu träge; so dass der optimale Anstellwinkel nicht gefunden wird. Es ist ein die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung für die Regelung der Anstellwinkel zu schaffen.However, rotor pitch angle control is too slow in some situations; so that the optimal angle of attack is not found. It is an object of the present invention to provide an improvement for the control of the angle of attack.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Anstellwinkel-Korrektursignals für ein vorbestimmtes Rotorblatt aus einer Mehrzahl von Rotorblättern einer Windkraftanlage, wobei das Anstellwinkel-Korrektursignal zur Veränderung eines Signals zur Ansteuerung eines individuellen Anstellwinkels für das Rotorblatt geeignet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Einlesen eines Rotorblatt-Positionssignals, das eine Winkelposition des Rotorblattes bezüglich einer Drehachse eines Rotors der Windkraftanlage repräsentiert und/oder Einlesen einer Drehgeschwindigkeit des Rotorblattes um die Drehachse; und
- – Ermitteln des Anstellwinkel-Korrektursignals für das vorbestimmte Rotorblatt der Windkraftanlage unter Verwendung eines in einem Speicher abgelegten Zusammenhangs zwischen der Winkelposition und einem Anstellwinkel-Korrekturfaktor, wobei das Anstellwinkel-Korrektursignal den Anstellwinkel-Korrekturfaktor repräsentiert, der bei einer Verwendung eine Korrektur des individuellen Anstellwinkels für das vorbestimmte Rotorblatt bewirkt, so dass eine Wirkung eines Momentes auf das vorbestimmte Rotorblatt einer Wirkung eines Momentes auf zumindest ein weiteres Rotorblatt der Windkraftanlage angeglichen wird und wobei das Ermitteln unter Verwendung des eingelesenen Rotorblatt-Positionssignals und/oder der eingelesenen Drehgeschwindigkeit erfolgt.
- - Reading a rotor blade position signal representing an angular position of the rotor blade with respect to a rotational axis of a rotor of the wind turbine and / or reading a rotational speed of the rotor blade about the axis of rotation; and
- Determining the pitch correction signal for the predetermined rotor blade of the wind turbine using a stored relationship in a memory between the angular position and an angle of attack correction factor, wherein the pitch correction signal represents the pitch correction factor which, in use, corrects the individual pitch for causing the predetermined rotor blade so that an effect of a moment on the predetermined rotor blade is adjusted to an effect of a moment on at least one further rotor blade of the wind turbine and wherein the determining is performed using the read rotor blade position signal and / or the read rotational speed.
Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Anstellwinkel-Korrektursignals für ein vorbestimmtes Rotorblatt aus einer Mehrzahl von Rotorblättern einer Windkraftanlage, wobei das Anstellwinkel-Korrektursignal zur Veränderung eines Signals zur Ansteuerung eines individuellen Anstellwinkels für das Rotorblatt vorgesehen ist, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
- – eine Schnittstelle zum Einlesen eines Rotorblatt-Positionssignals, das eine Winkelposition des Rotorblattes bezüglich einer Drehachse des Rotors der Windkraftanlage repräsentiert und/oder Einlesen einer Drehgeschwindigkeit des Rotorblattes um die Drehachse; und
- – eine Einheit zum Ermitteln des Anstellwinkel-Korrektursignals für das vorbestimmte Rotorblatt der Windkraftanlage aus einem Speicher, wobei das Anstell-Winkel-Korrektursignal einen Anstellwinkel-Korrekturfaktor repräsentiert, der bei einer Verwendung eine Korrektur des individuellen Anstellwinkels für das vorbestimmte Rotorblatt bewirkt, so dass eine Wirkung eines Momentes auf das vorbestimmte Rotorblatt einer Wirkung eines Momentes auf zumindest ein weiteres Rotorblatt der Windkraftanlage angeglichen wird und wobei das Ermitteln unter Verwendung des eingelesenen Rotorblatt-Positionssignals und/oder der eingelesenen Drehgeschwindigkeit erfolgt.
- - An interface for reading a rotor blade position signal representing an angular position of the rotor blade with respect to a rotational axis of the rotor of the wind turbine and / or reading a rotational speed of the rotor blade about the axis of rotation; and
- A unit for determining the pitch correction signal for the predetermined rotor blade of the wind turbine from a memory, wherein the pitch angle correction signal represents a pitch correction factor, which causes in use a correction of the individual pitch for the predetermined rotor blade, so that a Effect of a moment on the predetermined rotor blade of an effect of a moment is adjusted to at least one further rotor blade of the wind turbine and wherein the determining is carried out using the read-in rotor blade position signal and / or the read rotational speed.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und der zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product with program code, which is stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and which is used to carry out the method according to one of the embodiments described above, when the program on a control device or a device is performed.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine deutlich schnellere und bessere Regelung des Anstellwinkels eines Rotorblatts erreicht werden kann, wenn ein Korrektursignal bereitgestellt wird, das einen Korrekturfaktor für den Anstellwinkel eines bestimmten Rotorblatts in Abhängigkeit von einer Winkelposition dieses Rotorblatts aus einem Speicher ausliest. Als Anstellwinkel wird in diesem Zusammenhang derjenige Winkel bezeichnet, um den das Rotorblatt an der Rotornabe um die Rotorblattachse gegenüber einer Null-Stellung in der Rotorebene gedreht ist, wobei in der Null-Stellung das Rotorblatt eine größte Schubkraft aus Wind in Richtung der Rotorachse aufweist. Wird der vorstehend genannte Zusammenhang verwendet, können weitgehend stationäre Kräfte auf den Rotor, die beispielsweise durch eine schräge Anströmung des Rotors, Windstaueffekte am Turm der Windkraftanlage oder Kräfte durch eine Windscherung in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotorblatts für das Rotorblatt Blatt-individuell korrigiert werden, so dass sich die individuelle Anstellwinkel-Regelung für die einzelnen Rotorblätter lediglich auf die Kompensation der Effekte durch Windturbulenzen beschränken kann. Dies entlastet die Regelung der individuellen Anstellwinkel erheblich. Die stationären Kräfte werden dabei für die Bestimmung des Anstellwinkel-Korrektursignals in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotorblatts berücksichtigt, da beispielsweise die Effekte durch eine Windscherung oder die Windstaueffekte am Turm der Windkraftanlage in unterschiedlichen Winkelpositionen des Rotorblatts unterschiedliches Gewicht haben.The present invention is based on the recognition that a much faster and better control of the pitch angle of a rotor blade can be achieved when a correction signal is provided which reads out a correction factor for the pitch angle of a specific rotor blade in dependence on an angular position of this rotor blade from a memory. In this context, the angle of attack is defined as the angle at which the rotor blade on the rotor hub is rotated about the rotor blade axis relative to a zero position in the rotor plane, wherein in the zero position the rotor blade has a maximum thrust force from wind in the direction of the rotor axis. If the above-mentioned relationship is used, largely stationary forces on the rotor, which are corrected, for example, by an oblique flow of the rotor, wind accumulation effects on the tower of the wind turbine or forces due to wind shear as a function of the angular position of the rotor blade for the rotor blade individually so that the individual pitch control for the individual rotor blades can be limited only to the compensation of the effects of wind turbulence. This considerably relieves the regulation of the individual angles of attack. The stationary forces are taken into account for the determination of the angle of attack correction signal as a function of the angular position of the rotor blade, for example, the effects of wind shear or the wind accumulation effects on the tower of the wind turbine in different angular positions of the rotor blade have different weight.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Trennung von stationären Effekten und durch Turbulenzen ausgelöste dynamischen Effekten im Belastungsverhalten der Rotorblätter eine deutlich schnellere und zugleich genauere Regelung der optimalen Anstellwinkel ermöglicht. Dabei braucht durch die vorliegende Erfindung die Regelung noch nicht direkt ausgeführt zu werden, vielmehr besteht der wesentliche Kern der Erfindung in der Bereitstellung eines entsprechenden Korrektursignals, dessen Verwendung auf die bereits bekannte Regelung der individuellen Anstellwinkel möglich ist. Die vorliegende Erfindung bietet dabei den zusätzlichen Vorteil, dass ein bestehendes Regelungskonzept weiterverwendet werden kann und durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung verbessert wird. Dies ermöglicht auch die Nachrüstung an bestehenden Windkraftanlagen, was einen zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteil für den Einsatz der vorliegenden Erfindung darstellt.The present invention offers the advantage that the separation of stationary effects and turbulence-induced dynamic effects in the load behavior of the rotor blades makes it possible to control the optimum angle of attack significantly more quickly and at the same time more precisely. In this case, the regulation need not yet be carried out directly by the present invention, but rather the essential core of the invention is the provision of a corresponding correction signal, the use of which is possible on the already known regulation of the individual angles of attack. The present invention offers the additional advantage that an existing control concept can continue to be used and is improved by the use of the present invention. This also allows retrofitting to existing wind turbines, which represents an additional economic advantage for the use of the present invention.
Günstig ist es, wenn im Schritt des Ermittelns eine Veränderung des im Speicher abgelegten Zusammenhangs erfolgt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine schnelle und flexible Aktualisierung des im Speicher abgelegten Zusammenhangs an die entsprechenden Windverhältnisse vor Ort durchgeführt werden kann.It is favorable if, in the step of determining, a change of the relationship stored in the memory takes place. Such an embodiment of the present invention offers the advantage that a rapid and flexible updating of the relationship stored in the memory to the corresponding wind conditions can be carried out on site.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Ermittelns für die Veränderung des im Speicher abgelegten Zusammenhangs eine Bestimmung einer Windgeschwindigkeit an unterschiedlichen Segmenten eines Rotorblattes erfolgen, wobei die Bestimmung der Windgeschwindigkeit an den einzelnen Segmenten des Rotorblattes unter Berücksichtigung einer ermittelten aktuellen Neigung der Rotorachse gegen die Horizontalen, einer aktuellen Distanz einer Rotornabe zu einem Turm der Windkraftanlage, einem ermittelten Schräg-Anströmungswinkel von Wind bezüglich der Rotorachse im Bereich des betreffenden Segmentes, einer aktuellen Windgeschwindigkeit in Richtung der Rotorachse im Bereich des betreffenden Segmentes des Rotorblattes in Abhängigkeit von der Höhe des betreffenden Segmentes über der Erdoberfläche und/oder einem Durchmesser eines Turms der Windkraftanlage in einer Höhe des betreffenden Segmentes des Rotorblattes erfolgen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass der im Speicher abgelegte Zusammenhang sehr präzise einen Korrekturfaktor abbildet, der zur Kompensation von weitgehend stationären Störungen verwendet werden kann. Auf diese Weise kann die Regelung des individuellen Anstellwinkels entlastet und damit beschleunigt werden.According to another embodiment of the present invention, a determination of a wind speed at different segments of a rotor blade can be carried out in the step of determining for the change of the stored in the memory, wherein the determination of the wind speed at the individual segments of the rotor blade taking into account a determined current inclination of the rotor axis against the horizontal, a current distance of a rotor hub to a tower of the wind turbine, a determined oblique flow angle of wind with respect to the rotor axis in the region of the relevant segment, a current wind speed in the direction of the rotor axis in the region of the relevant segment of the rotor blade as a function of the height of the relevant segment over the earth's surface and / or a diameter of a tower of the wind turbine take place at a height of the relevant segment of the rotor blade. Such an embodiment of the present invention offers the advantage that the relationship stored in the memory very precisely reflects a correction factor which is used for Compensation of largely stationary disturbances can be used. In this way, the regulation of the individual angle of attack can be relieved and thus accelerated.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Schritt des Ermittelns eine Segmentierung eines Flugkreises des Rotorblattes um die Rotorachse in unterschiedliche Segmente erfolgt, wobei zumindest eine Information über eine Belastung des vorbestimmten Rotorblatts in einem der Segmente des Flugkreises aufgezeichnet wird und die aufgezeichnete Information zur Ermittlung eines Anstellwinkel-Korrektursignals eines weiteren Rotor blattes der Windkraftanlage verwendet wird, insbesondere wobei die aufgezeichnete Information zur Ermittlung eines Anstellwinkel-Korrektursignals eines Rotorblattes der Windkraftanlage verwendet wird, das in Drehrichtung des Rotors dem vorbestimmten Rotorblatt unmittelbar nachfolgt. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den weiteren Vorteil, dass der im Speicher abgelegte Zusammenhang sehr flexibel und schnell auf kleinere lokale Änderungen der weitgehend stationären Störungen angepasst werden kann. Auf diese Weise kann beispielsweise ein dem Rotorblatt direkt nachfolgendes Rotorblatt bereits die Belastungsinformationen nutzen, die durch Sensoren von dem ersten, das heißt von dem vorbestimmten Rotorblatt erfasst wurden.It is particularly advantageous if in the step of determining a segmentation of a flight circle of the rotor blade takes place around the rotor axis into different segments, wherein at least information about a load of the predetermined rotor blade in one of the segments of the flight circle is recorded and the recorded information for determining an angle of attack Correction signal of another rotor blade of the wind turbine is used, in particular wherein the recorded information is used to determine a Anstellwinkel-correction signal of a rotor blade of the wind turbine, which immediately follows the predetermined rotor blade in the direction of rotation of the rotor. Such an embodiment of the present invention offers the further advantage that the relationship stored in the memory can be adapted very flexibly and quickly to smaller local changes of the largely stationary disturbances. In this way, for example, a rotor blade directly following the rotor blade can already make use of the loading information which was detected by sensors from the first, that is, from the predetermined rotor blade.
In einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Ermittelns für zumindest ein Segment eine Information über eine Belastung des dem vorbestimmten Rotorblatt nachfolgenden Rotorblattes aufgezeichnet werden, wobei ferner eine Abweichung zwischen der Belastung des vorbestimmten Rotorblattes und der Belastung des weiteren Rotorblattes, insbesondere des dem vorbestimmten Rotorblatt unmittelbar nachfolgenden Rotorblattes ermittelt wird und wobei die ermittelte Abweichung für eine Bestimmung der Belastung und/oder eines Anstellwinkel-Korrektursignals für ein drittes Rotorblatt der Windkraftanlage verwendet wird, wenn sich das dritte Rotorblatt in dem Segment des Flugkreises befindet. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bei einer Veränderung der im Wesentlichen stationären Störgröße bereits eine Schätzung diese Veränderung für ein nachfolgendes Rotorblatt getroffen werden kann. Das bereitgestellte Anstellwinkel-Korrektursignal kann damit auf einer Vorhersage für sich ändernde (im Wesentlichen stationäre) Störgrößen basieren, was sich durch eine weitere Verbesserung in der Schnelligkeit und Präzision der Regelung des Anstellwinkels niederschlägt, wenn das besagte Anstellwinkel-Korrektursignal verwendet wird.In a particular embodiment of the present invention, in the step of determining for at least one segment information about a load of the rotor blade subsequent to the predetermined rotor blade are recorded, further wherein a deviation between the load of the predetermined rotor blade and the load of the other rotor blade, in particular the predetermined rotor blade immediately following rotor blade is determined and wherein the determined deviation is used for a determination of the load and / or a Anstellwinkel correction signal for a third rotor blade of the wind turbine, when the third rotor blade is in the segment of the flight circle. Such an embodiment of the present invention offers the advantage that, when the substantially stationary disturbance variable changes, an estimate of this change for a subsequent rotor blade can already be made. The provided pitch correction signal may thus be based on a prediction for varying (substantially stationary) disturbances, which is reflected by a further improvement in the speed and precision of the pitch control when using said pitch correction signal.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Ermittelns eine Information über eine Belastung des weiteren Rotorblattes, insbesondere des dem vorbestimmten Rotorblatt unmittelbar nachfolgenden Rotorblattes, im betreffenden Segment erfasst werden und ferner in dem Speicher die Information über die Belastung des Rotorblattes durch die erfasste Information über die Belastung des weiteren Rotorblattes ersetzt werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass der im Speicher abgelegte Zusammenhang in sehr kurzen Zeitabständen aktualisiert wird, so dass die Bereitstellung des Anstellwinkel-Korrektursignals auf einer möglichst präzisen aktuellen Basis von Messwerten basiert. Dies stellt eine schnelle und hochgenaue Regelung des individuellen Anstellwinkels für ein einzelnes Rotorblatt sicher, wenn das genannte Anstellwinkel-Korrektursignal zur Veränderung des individuellen Anstellwinkels dieses Rotorblattes verwendet wird.Also, according to a further embodiment of the present invention in the step of determining information about a load of the other rotor blade, in particular the rotor blade immediately following the predetermined rotor blade, be detected in the relevant segment and also in the memory, the information about the load of the rotor blade through the detected information about the load of the other rotor blade to be replaced. Such an embodiment of the present invention offers the advantage that the relationship stored in the memory is updated in very short time intervals, so that the provision of the pitch correction signal is based on the most accurate possible current basis of measured values. This ensures fast and highly accurate control of the individual pitch for a single rotor blade when using said pitch correcting signal to vary the individual pitch of this rotor blade.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:
- – Einlesen eines weiteren Rotorblatt-Positionssignals, das eine Winkelposition zumindest eines anderen Rotorblattes bezüglich einer Drehachse des Rotors repräsentiert; und
- – Ermittelns eines weiteren Anstellwinkel-Korrektursignals für das andere Rotorblatt der Windkraftanlage unter Verwendung des im Speicher abgelegten Zusammenhangs zwischen einer Winkelposition und einem Anstellwinkel-Korrekturfaktor, wobei das weitere Anstellwinkel-Korrektursignal einen Anstell-Winkel-Korrekturfaktor repräsentiert, der bei einer Verwendung eine Korrektur eines individuellen Anstellwinkels für das andere Rotorblatt bewirkt, so dass eine Wirkung eines Momentes auf das andere Rotorblatt einer Wirkung eines Momentes auf das vorbestimmte Rotorblatt der Windkraftanlage angeglichen wird und wobei das Ermitteln unter Verwendung des eingelesenen weiteren Rotorblatt-Positionssignals und/oder der eingelesenen Drehgeschwindigkeit erfolgt.
- - Reading another rotor blade position signal representing an angular position of at least one other rotor blade with respect to a rotational axis of the rotor; and
- Determining a further pitch correction signal for the other rotor blade of the wind turbine using the stored in the memory relationship between an angular position and a Anstellwinkel correction factor, wherein the further pitch correction signal represents a Anstell-angle correction factor, which in use a correction of a causes individual pitch of the other rotor blade, so that an effect of a moment on the other rotor blade of an effect of a moment on the predetermined rotor blade of the wind turbine is adjusted and wherein the determination is carried out using the read in another rotor blade position signal and / or the read rotational speed.
Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht nur eine Optimierung des Anstellwinkels eines einzelnen Rotorblattes erfolgt, sondern dass die Optimierung für mehrere Rotorblätter gemeinsam durchgeführt wird. Dies stellt eine weitere Verbesserung bei der Regelung der Anstellwinkel der Rotorblätter der Windkraftanlage dar. Insbesondere wird hierdurch eine Verringerung der Gier- und Nickmomente auf den Turm oder die Gondel der Windkraftanlage erreicht.Such an embodiment of the present invention offers the advantage that not only an optimization of the pitch angle of a single rotor blade takes place, but that the optimization is carried out jointly for a plurality of rotor blades. This represents a further improvement in the regulation of the angles of incidence of the rotor blades of the wind power plant. In particular, this results in a reduction of the yawing and pitching moments on the tower or the nacelle of the wind turbine.
Auch kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Veränderung eines Signals zur Ansteuerung eines individuellen Anstellwinkels für das Rotorblatt vorgesehen sein, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – die Schritte des Verfahrens wie es vorstehend beschrieben wurde; und
- – Verändern des Signals zur Ansteuerung des individuellen Anstellwinkels für das Rotorblatt unter Verwendung des bereitgestellten Ansteuerwinkel-Korrektursignals.
- The steps of the method as described above; and
- - Modifying the signal for controlling the individual pitch for the rotor blade using the provided drive angle correction signal.
Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass nicht nur ein Anstellwinkel-Korrektursignal bereitgestellt wird, sondern dass tatsächlich das Signal zur Ansteuerung des individuellen Anstellwinkels verändert wird. Hierdurch lassen sich die Vorteile implementieren, die durch das Bereitstellen des Anstellwinkel-Korrektursignals eröffnet werden.Such an embodiment of the present invention offers the advantage of not only providing an angle of attack correction signal, but of actually changing the signal for driving the individual angle of attack. In this way, the advantages can be implemented, which are opened by providing the pitch correction signal.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
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. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung eventuell unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder”-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweiten Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/der erst Schritt als auch das zweite Merkmal/der zweite Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/den ersten Schritt oder nur das zweite Merkmal/den zweiten Schritt aufweist.The same or similar elements may be provided in the following figures by the same or similar reference numerals. Furthermore, the figures of the drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. It is clear to a person skilled in the art that these features are also considered individually or that they can be combined to form further combinations not explicitly described here. Furthermore, the invention in the following description may be explained using different dimensions and dimensions, wherein the invention is not limited to these dimensions and dimensions to understand. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described. If an embodiment includes a "and / or" link between a first feature / step and a second feature / step, this may be read such that the embodiment according to one embodiment includes both the first feature / the first feature and the second feature / the second step, and according to another embodiment comprises either only the first feature / step or only the second feature / step.
Ein wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Störgrößenaufschaltung für die IPC-Regelung realisiert bzw. ermöglicht werden soll. Dadurch kann eine wesentlich verbesserte Performance der IPC-Regelung erreicht werden. Die Erfindung lässt sich mit den bekannten IPC-Regelungsverfahren sehr einfach kombinieren, so dass bereits vorhandene und implementierte IPC-Regelungsstrategien ergänzt werden können. Hierzu sollen für die individuelle Pitchregelung eines Rotorblattes die über bis zu einem kompletten Rotorumlauf gespeicherte Messinformationen im günstigsten Fall sämtlicher Rotorblätter verwendet werden. Die Belastungmesssreihen, die aus den Messinformationen gewonnen werden, lassen sich dann verwenden, um die zu erwartenden Rotorbelastungen abzuschätzen. Basierend auf dieser Abschätzung kann dann eine Solltrajektorie der einzelnen Pitchwinkel berechnet und für die Vorsteuerung der Pitchaktuatoren verwendet werden. An important aim of the present invention is to be seen in that a feedforward control for the IPC control should be realized or made possible. As a result, a significantly improved performance of the IPC control can be achieved. The invention can be very easily combined with the known IPC control methods so that already existing and implemented IPC control strategies can be supplemented. For this purpose, for the individual pitch control of a rotor blade, the measurement information stored up to a complete rotor circulation should be used in the best case of all rotor blades. The strain gauges obtained from the measurement information can then be used to estimate the expected rotor loads. Based on this estimate, a desired trajectory of the individual pitch angles can then be calculated and used for the precontrol of the pitch actuators.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass sich die IPC-Regelung um eine Störkompensation erweitern lässt, welche die Gier- und Nickmomente an der Windkraftanlage ausregeln soll, die durch bekannte Störeffekte entstehen. Zu diesen Störeffekte zählen beispielsweise:
- 1) die Neigung der Rotorachse gegen die Horizontale (üblicherweise um ca. 5°). Dadurch entstehen Momente durch die auf die Blätter wirkende Gewichtskraft, sowie eine sich periodisch ändernde Anströmung; da sich die Blattspitzen während eines Umlaufs vor und zurück bewegen.
- 2) Fehler in der Anströmung durch den Turmschatten;
- 3) Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit von der Höhe über dem Boden durch Windscherung;
- 4) Schräganströmung der Rotorblätter; und
- 5) Sonstige Effekte (z. B. Abschattung einer Hälfte der Rotorfläche durch andere Anlagen, etc.).
- 1) the inclination of the rotor axis against the horizontal (usually about 5 °). This creates moments due to the force acting on the leaves weight, as well as a periodically changing flow; because the blade tips move back and forth during one revolution.
- 2) errors in the flow through the tower shadow;
- 3) dependence of wind speed on altitude above ground due to wind shear;
- 4) oblique flow of the rotor blades; and
- 5) Other effects (eg shading of half of the rotor surface by other equipment, etc.).
Da all diese Effekte sich zeitlich nur langsam ändern, lassen sie sich durch eine Störkompensation eliminieren, bevor sie am Ausgang messbar sind. Dazu wird zunächst der Verlauf einer Korrekturgröße für die individuellen Pitchwinkel für jedes Rotorblatt bestimmt, die erforderlich ist, um die Störungen zu eliminieren. Diesen Verlauf gibt man dann als Störkompensation additiv zusätzlich zu dem vom IPC-Regler berechneten individuellen Pitchwinkel und führt das erhaltene Signal einem Pitch-Aktuator zu. Eine prinzipielle Vorgehensweise bei der Bestimmung der korrigierten individuellen Anstellwinkel ist aus dem Blockschaltbild gemäß der
Dabei zeigt das Blockschaltbild aus der
In der Vorrichtung
Die Einheit
Der IPC-Regler
Das Anstellwinkel-Korrektursignal
Da der Verlauf der Größe für die Störkompensation im Voraus bekannt ist, kann für den unterlagerten Pitchregler
Die Kurve für den Pitchwinkel kann aber auch in einer verbesserten Ausführung der Erfindung laufend angepasst werden, indem aus den gemessenen Daten
Für die Berechnung der Windgeschwindigkeiten an den einzelnen Rotorblättern kann beispielsweise eine Betrachtung von einzelnen Segmenten
Weiterhin kann für die Berechnung der Windgeschwindigkeiten die Windscherung in unterschiedlicher Höhe H über der Erdoberfläche berücksichtigt werden. Hierzu wird beispielsweise ein Nickwinkel δ der Rotorachse
Auch wird beispielsweise bei der Bestimmung der Windgeschwindigkeiten die Schräganströmung der Rotorblätter
Zusätzlich kann auch bei der Berechnung der Windgeschwindigkeiten ein Luftstau am Turm der Windkraftanlage berücksichtigt werden, wie es in der Darstellung aus
Unter Verwendung der vorstehend genannten Zusammenhänge lassen sich nun die Windgeschwindigkeiten in unterschiedliche Koordinatenrichtung unter Zuhilfenahme der folgenden Formeln abschätzen:
Weiterhin wird für die Windgeschwindigkeiten in x- und y-Richtung folgender Zusammenhang verwendet: wobei φ = arctan
Hierbei repräsentiert in den Gleichungen (1) und (2) der Term die Komponente des Windes, die durch die Windscherung verursacht ist und der Term diejenige Komponente, die durch das Turmstaumodell über den Potentialströmungsansatz berechnet werden kann. Ferner werden für die Windgeschwindigkeit beim Potentialstaumodel die folgenden beiden Gleichungen verwendet: und Here, in the equations (1) and (2), the term represents the component of the wind caused by the wind shear and the term the component that can be calculated by the tower surge model via the potential flow approach. Furthermore, the following two equations are used for the wind speed in the potential storage model: and
Die gesamte Rotor-Anströmung, d. h. die Anströmgeschwindigkeit des Rotors von Wind lässt sich vereinfacht unter Vernachlässigung des geringen Anteils von vy folgendermaßen ermitteln:
Dabei bildet der Term cos γ die Schräganströmung des Rotors ab, während der Term r·sinδ·ω·sinΩ die Geschwindigkeit auf Grund der Achsneigung repräsentiert.In this case, the term cos γ maps the oblique flow of the rotor, while the term r · sinδ · ω · sinΩ represents the velocity on the basis of the axial inclination.
Unter Verwendung der vorstehend genannten Formeln lässt sich der in dem Speicher
Ein wichtiges Ziel der Erfindung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindun ist es, eine aktive Vorsteuerung der Pitchaktuatoren zu realisieren, basierend auf den in dem Umlaufzyklus des Rotors gemessenen Belastungsmessreihen. Die Belastungskurve eines Rotorblattes wird hierbei als die zu erwartende Belastungskurve des Nachläufers (d. h. des direkt nachfolgenden Rotorblattes) eines Flugkreissegmentes der Rotorblätter betrachtet, wobei der Flugkreis die Fläche bezeichnet, die die Rotorblätter bei der Drehung um die Rotornabe überstreichen. Zur Veranschaulichung dienen die folgenden Diagramme aus der
Die Belastungskurven innerhalb eines Hauptsektors werden also dem jeweils nachfolgenden Rotorblatt zugeordnet. Um eine zu große Unsicherheit bezüglich der Vorhersage zu vermeiden, wird jeweils nur die Belastungskurve des Vorläufers für die Vorhersage der Belastung des Nachläufers betrachtet. Die Rotorfläche wird hierfür diskretisiert (z. B. mit einem Rotor-Azimuthwinkel von 1 Grad pro Segment). Während des Rotorumlaufes werden die gemessenen Belastungen den entsprechenden Rotor-Azimuthwinkeln bei Überstreichung des Diskretisierungsabschnittes bzw. des Diskretisierungsschrittes zugeordnet. Auf diese Weise können bei Speicherung eines kompletten Rotorumlaufes drei (oder vier) Messwerte pro Rotor-Azimuthwinkelsegment und Umlauf realisiert werden. Die prinzipielle Idee für die Vorsteuerung gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht darin, die während eines drittel Umlaufes (d. h. 120 Grad) gemessenen Sensordaten der einzelnen Rotorblätter als Grundlage für die Trajektorienplanung der Pitchwinkel von nachfolgenden Rotorblättern zu verwenden. Die in Messungen und Simulationen nachweisbaren zyklischen Belastungskurven bei Windkraftanlagen erlauben es, eine Vorhersage bezüglich der zu erwartenden Belastung zu treffen.The load curves within a main sector are thus assigned to the respective subsequent rotor blade. In order to avoid too much uncertainty about the prediction, only the load curve of the precursor for the prediction of the load of the trailer is considered. The rotor surface is discretized for this purpose (eg with a rotor azimuth angle of 1 degree per segment). During the rotor revolution, the measured loads are assigned to the corresponding rotor azimuth angles when the discretization section or the discretization step is swept over. In this way, when storing a complete rotor revolution, three (or four) measured values per rotor azimuth angle segment and revolution can be realized. The principal idea for the pilot control according to this embodiment is to use the sensor data of the individual rotor blades measured during a third revolution (i.e., 120 degrees) as the basis for the trajectory planning of the pitch angles of subsequent rotor blades. The cyclic load curves of wind turbines that can be detected in measurements and simulations make it possible to predict the expected load.
Somit beschränkt sich die Trajektorienplanung auf 3*120°-Sektoren, für die jeweils eine Solltrajektorie der Pitchverstellung berechnet wird. Diese Solltrajektorie kann für jeden der Sektoren in dem Speicher
Diese Änderung der Windgeschwindigkeit, die auch als Gradient bezeichnet werden kann, kann dann als Korrekturfaktor für die Belastungskurven verwendet werden. Voraussetzung für die Berücksichtigung des Korrekturfaktors ist in diesem Fall eine klar feststellbare Tendenz anhand der Messdatenreihe der entsprechenden Rotorsektoren. Eine solche Tendenz ist beispielweise aus dem Diagramm aus
Ein derart ausgestaltetes Ausführungsbeispiel könnte gemäß einem Blockschaltbild aus
Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.The exemplary embodiments shown are chosen only by way of example and can be combined with one another.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Vorrichtung zur Bereitstellung eines Anstellwinkel-KorrektursignalsApparatus for providing a pitch correction signal
- 110110
- WindkraftanlageWind turbine
- 120120
- Sensorsignale von Sensoren an oder in der WindkraftanlageSensor signals from sensors on or in the wind turbine
- 125125
- Einheit zur Betriebsführung des WindkraftanlageUnit for the operation of the wind turbine
- 130130
- Regler zur Ermittlung der individuellen AnstellwinkelController for determining the individual angles of attack
- 135135
- Einheit zur Veränderung des im Speicher gespeicherten ZusammenhangsUnit for changing the relationship stored in the memory
- 136136
- Schnittstelleinterface
- 137137
- SpeicherStorage
- 139139
- Anstellwinkel-KorektursignalAoA Korektursignal
- 140 140
- Signal, das das Generatormoment repräsentiertSignal representing the generator torque
- 142142
- Signal, das den gemeinsamen Pitchwinkel für alle Rotorblätter repräsentiertSignal representing the common pitch angle for all rotor blades
- 145145
- Signal zur individuellen Ansteuerung des Anstellwinkels aus dem IPC-ReglerSignal for individually controlling the angle of attack from the IPC controller
- 150150
- korrigiertes individuelles Anstellwinkel-Ansteuersignalcorrected individual pitch control signal
- 155155
- unterlagerter Pitchreglersubordinate pitch controller
- 160160
- Vorsteuerung für den Anstellwinkel-Aktuator/PitchaktuatorFeedforward control for the pitch actuator / pitch actuator
- 165165
- Pitchaktuator, Anstellwinkel-AktuatorPitch actuator, pitch actuator
- 200200
- Segment eines RotorblattesSegment of a rotor blade
- 210210
- Rotorblattrotor blade
- 310310
- RotordrehachseRotor axis of rotation
- 320320
- Rotornaberotor hub
- 900900
- Verfahren zur Bereitstellung eines Anstellwinkel-KorrektursignalsA method of providing a pitch correction signal
- 910910
- Schritt des EinlesensStep of reading in
- 920920
- Schritt des ErmittelnsStep of determining
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19739164 B4 [0003] DE 19739164 B4 [0003]
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