DE102010035055A1 - Method for adjusting angle of incidence of rotor blade of wind power plant, involves determining controller-based control value based on deviation of angle of incidence of rotor blade with respect to target value - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage sowie auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Kompensationswerts zur Kompensation eines Lagerreibmoments, das ein Einstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage beeinflusst.The present invention relates to a method and apparatus for adjusting an angle of incidence of a rotor blade of a wind turbine, and to a method for determining a compensation value for compensating for a bearing friction torque that affects adjusting an angle of incidence of a rotor blade of a wind turbine.
Bei Windenergieanlagen bzw. Windkraftanlagen, beispielsweise mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern, wird durch synchrone Verstellung der Blattwinkel die Drehgeschwindigkeit oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit so geregelt, dass durch die Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter der aerodynamische Auftrieb und somit das Antriebsmoment in solcher Weise verändert wird, dass die Anlage im Bereich der Nenndrehgeschwindigkeit gehalten werden kann. Bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Abschaltegeschwindigkeit 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. Bei dieser kollektiven Blattverstellung 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 wind turbines or wind turbines, for example with a horizontal axis and three rotor blades, the rotational speed above the rated wind speed is controlled by synchronous adjustment of the blade angle that is changed by changing the angle of attack of the rotor blades aerodynamic lift and thus the drive torque in such a way that the system can be kept in the range of the nominal rotational speed. At wind speeds above the shutdown speed this Blattverstellmechanismus is also used as a brake by the leaves are placed with the nose in the wind, so that the rotor delivers no significant driving torque more. As a result of this asymmetric aerodynamic load, pitching and yawing moments on the nacelle result from this collective pitch adjustment. The asymmetric loads arise z. As by wind shear in the vertical direction, boundary layers, yaw angle error, gusts and turbulence, impoundment of the flow at the tower, etc.
Die
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Einstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage, eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Verfahren zum Bestimmen eines Kompensationswerts zur Kompensation eines Lagerreibmoments, das ein Einstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage beeinflusst sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, with the present invention, a method for adjusting an angle of incidence of a rotor blade of a wind turbine, an apparatus using this method, a method for determining a compensation value for compensating a bearing friction torque, which influences setting of a pitch angle of a rotor blade of a wind turbine, and finally a corresponding computer program product according to the independent claims presented. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Genauigkeit der Positionsregelung des Pitchantriebs eines Rotorblatts einer Windkraftanlage erhöht werden kann, indem das Reibmoment im Blattlager geschätzt wird. Dazu werden bestimmte Messgrößen benötigt, die aber bei Anlagen, die mit IPC (engl.: Individual Pitch Control, IPC) ausgestattet sind, meist ohnehin zur Verfügung stehen. Mittels IPC werden der Anstellwinkel bzw. der Pitchwinkel der Blätter individuell verstellt, um asymmetrische aerodynamische Lasten zu reduzieren. Dabei werden typischerweise Sensoren in oder an den Rotorblättern angebracht, um die Schlagbiegemomente zu messen. Diese dienen dann als Regelgrößen für die individuelle Blattverstellung. 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. Zur Umsetzung von IPC ist es erforderlich, dass der Anstellwinkel eines Rotorblattes während einer Umdrehung auf einer ungefähr sinusförmigen Kurve verfährt. Dazu ist eine genaue Positionsregelung am Pitchantrieb erforderlich. Allerdings wirken an der Blattwurzel einer Windkraftanlage vom Rotorblatt große Schubkräfte und Kippmomente. Diese bestimmen maßgeblich das Reibmoment im Blattlager. Zur Positionierung des Rotorblattes muss das Lagerreibmoment vom Pitchantrieb überwunden werden. Der größte Anteil der Leistung des Antriebs wird dazu verwendet, nur ein kleiner Teil dient tatsächlich zur Beschleunigung des Rotorblattes um die Pitchachse.The invention is based on the recognition that the accuracy of the position control of the pitch drive of a rotor blade of a wind turbine can be increased by estimating the friction torque in the blade bearing. For this purpose, certain measured variables are required, but in plants that are equipped with IPC (English: Individual Pitch Control, IPC), usually available anyway. Using IPC, the pitch or pitch angle of the blades is adjusted individually to reduce asymmetric aerodynamic loads. Typically, sensors are mounted in or on the rotor blades to measure the impact moments. These then serve as control variables for the individual blade adjustment. Other methods determine the pitching and yawing moments by measuring the gondola acceleration via gyroscopes or by sensors, which measure the deformations of system components caused by the loads by means of distance measurements and thereby determine the loads. For the implementation of IPC, it is necessary that the angle of attack of a rotor blade moves during one revolution on an approximately sinusoidal curve. This requires precise position control on the pitch drive. However, at the blade root of a wind turbine from the rotor blade large shear forces and tilting moments. These significantly determine the friction torque in the blade bearing. To position the rotor blade, the bearing friction torque must be overcome by the pitch drive. The largest part of the power of the drive is used, only a small part actually serves to accelerate the rotor blade about the pitch axis.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass durch die Einbeziehung des Lagerreibmoments bei der Positionsregelung das Rotorblatt gleichmäßig einer vorgegebenen Pitchkurve folgen kann und somit aufgrund der Kompensation der Reibung im Blattlager eine ruckartige Bewegung des Rotorblatts um die Pitchachse vermieden werden kann. Es kann also durch Reibungskompensation im Achsregler eine genauere Pitchpositionierung bei einer Windkraftanlage ermöglicht werden. Durch die erhöhte Positionsgenauigkeit der Pitchachse lässt sich das Potential der individuellen Verstellung der Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter besser ausnutzen.The advantages of the invention are that by including the Lagerreibmoments in the position control, the rotor blade can follow evenly a predetermined pitch curve and thus a jerky movement of the rotor blade can be avoided by the pitch axis due to the compensation of the friction in the blade bearing. It can therefore be made possible by friction compensation in the axis controller a more accurate pitch positioning in a wind turbine. Due to the increased position accuracy of the pitch axis, the potential of the individual adjustment of the pitch angle of the individual rotor blades can be better utilized.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Einstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage auf einen Sollwert, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist:
Bestimmen einer kompensierten Stellgröße zum Einstellen des Anstellwinkels auf den Sollwert basierend auf einer reglerbasierten Stellgröße, die eine von einem Regler bereitgestellte Größe zum Einstellen des Anstellwinkels des Rotorblatts auf den Sollwert repräsentiert, und einem Kompensationswert zur Kompensation eines das Einstellen beeinflussenden Lagerreibmoments.The present invention provides a method of adjusting an angle of attack of a rotor blade of a wind turbine to a target value, the method comprising the following step:
Determining a compensated manipulated variable for setting the angle of attack on the setpoint value based on a controller-based manipulated variable, which represents a provided by a controller size for adjusting the angle of attack of the rotor blade to the desired value, and a compensation value for compensating a setting influencing Lagerreibmoments.
Eine Windkraftanlage oder Windenergieanlage umfasst einen Rotor mit sich radial nach außen erstreckenden Rotorblättern. Üblicherweise umfasst ein Rotor mehrere Rotorblätter, wobei die häufigste Konfiguration drei Rotorblätter aufweist. Der Rotor kann um eine horizontale Drehachse drehbar gelagert sein. Jedes der Rotorblätter ist einzeln und unabhängig von den anderen Rotorblättern in seinem Anstellwinkel bzw. Pitchwinkel verstellbar. Unter dem Anstellwinkel eines Rotorblatts kann der Winkel verstanden werden, um den das Rotorblatt an seiner Halterung im Blattlager verstellt bzw. um eine Längsachse des Rotorblatts gedreht wird. Der Sollwert gibt für ein bestimmtes Rotorblatt einen für die jeweils vorliegende Betriebssituation der Anlage günstigen Anstellwinkel vor. Der Sollwert kann beispielsweise von der IPC-Regelung vorgegeben werden. Um den Anstellwinkel auf den Sollwert einzustellen, wird zunächst eine reglerbasierte Stellgröße von einem Positionsregler bestimmt. Diese reglerbasierte Stellgröße kann geeignet sein, um einen Motor anzutreiben, mit dem das Rotorblatt gedreht wird, um den Anstellwinkel zu verstellen. In der Regel gibt die reglerbasierte Stellgröße einen Wert eines Drehmoments vor. Dieses Drehmoment wird durch einen Pitchantrieb, beispielsweise einen Elektromotor, mit Hilfe eines unterlagerten Stromreglers eingestellt. A wind turbine or wind turbine comprises a rotor with radially outwardly extending rotor blades. Typically, a rotor comprises a plurality of rotor blades, the most common configuration having three rotor blades. The rotor may be rotatably mounted about a horizontal axis of rotation. Each of the rotor blades is individually and independently of the other rotor blades in its angle of attack or pitch angle adjustable. The angle of attack of a rotor blade can be understood as the angle by which the rotor blade is adjusted at its holder in the blade bearing or rotated about a longitudinal axis of the rotor blade. The setpoint specifies a favorable for each specific operating situation of the plant for a given rotor blade angle of attack. The setpoint can be specified, for example, by the IPC control. To set the angle of attack to the setpoint, a controller-based manipulated variable is first determined by a position controller. This control-based manipulated variable may be suitable for driving a motor with which the rotor blade is rotated in order to adjust the angle of attack. As a rule, the controller-based manipulated variable specifies a value of a torque. This torque is adjusted by a pitch drive, such as an electric motor, by means of a subordinate current regulator.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kompensationswert ermittelt, der die reglerbasierte Stellgröße so anpasst, dass ein das Einstellen des Anstellwinkels beeinflussendes Lagerreibmoment zumindest näherungsweise kompensiert wird. Der Kompensationswert kann basierend auf einer Drehposition des Rotors, der Drehgeschwindigkeit des Rotors sowie einem gemessenen Blattbiegemoment eines Rotorblatts bestimmt werden. Im Idealfall entspricht der Kompensationswert dem zu kompensierenden Lagerreibmoment. Das Lagerreibmoment wirkt im Lager des Rotorblatts und wirkt der Pitchdrehung des Rotorblattes entgegen. Das Lagerreibmoment ist beispielsweise abhängig von einer auf das Rotorblatt wirkenden Windkraft und einer Drehposition des Rotorblatts. Bei dem Lagerreibmoment handelt es sich demnach um eine sich ständig verändernde Störgröße, die dazu führt, dass der Sollwert verfehlt oder nicht ausreichend schnell erreicht wird, wenn der Anstellwinkel entsprechend der reglerbasierten Stellgröße eingestellt wird. Durch die Kombination von der reglerbasierten Stellgröße und dem Kompensationswert ergibt sich die kompensierte Stellgröße. Im Vergleich zur reglerbasierten Stellgröße lässt sich der Anstellwinkel des Rotorblatts mit der kompensierten Stellgröße, die das Lagerreibmoment berücksichtigt, genauer und/oder schneller auf den Sollwert einstellen.According to the present invention, a compensation value is determined which adapts the controller-based manipulated variable such that at least approximately compensates for a bearing friction torque influencing the setting of the angle of incidence. The compensation value may be determined based on a rotational position of the rotor, the rotational speed of the rotor and a measured blade bending moment of a rotor blade. Ideally, the compensation value corresponds to the Lagerreibmoment to be compensated. The Lagerreibmoment acts in the bearing of the rotor blade and counteracts the pitch rotation of the rotor blade. The bearing friction torque depends, for example, on a wind force acting on the rotor blade and a rotational position of the rotor blade. The bearing friction torque is thus a constantly changing disturbance variable, which results in the setpoint being missed or not being reached sufficiently quickly if the angle of attack is set in accordance with the control-based manipulated variable. The combination of the controller-based manipulated variable and the compensation value results in the compensated manipulated variable. In comparison to the controller-based manipulated variable, the angle of attack of the rotor blade with the compensated manipulated variable, which takes into account the bearing friction torque, can be set more precisely and / or more quickly to the desired value.
Die reglerbasierte Stellgröße kann basierend auf einer Abweichung des Anstellwinkels von dem Sollwert bestimmt werden. Die Abweichung tritt auf, wenn der Anstellwinkel den Sollwert noch nicht erreicht hat oder aber eine neue Sollgröße vorgegeben wird.The controller-based manipulated variable can be determined based on a deviation of the angle of attack from the desired value. The deviation occurs when the angle of attack has not yet reached the setpoint or a new setpoint is specified.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Kompensationswert basierend auf mindestens einer physikalischen Eigenschaft des Rotorblatts und/oder mindestens einer auf das Rotorblatt wirkenden Kraft ermittelt werden. Die physikalische Eigenschaft des Rotorblatts kann durch bekannte Größen des Rotorblatts, wie beispielsweise der Rotorradius, die Rotorblattmasse, die Position des Rotorblattschwerpunkts, der Laufkreisdurchmesser des Rotorblattlagers oder Reibungskoeffizienten des Lagers verstanden werden. Die auf das Rotorblatt wirkende Kräfte und Momente können sich über die Zeit verändern und direkt oder indirekt gemessen oder abgeschätzt werden. Die Kraft kann beispielsweise durch eine auf das Rotorblatt wirkende Windkraft, Schwerkraft oder Fliehkraft hervorgerufen werden. Insbesondere die Berücksichtigung der auf das Rotorblatt wirkenden Kraft bietet den Vorteil, dass der Kompensationswert situationsbezogen und genau ermittelt werden kann. Somit kann das Lagerreibmoment optimal kompensiert werden.According to one embodiment, the compensation value may be determined based on at least one physical property of the rotor blade and / or at least one force acting on the rotor blade. The physical property of the rotor blade may be understood by known sizes of the rotor blade, such as the rotor radius, the rotor blade mass, the position of the rotor blade center of gravity, the pitch diameter of the rotor blade bearing or friction coefficient of the bearing. The forces and moments acting on the rotor blade can change over time and be measured or estimated directly or indirectly. The force can be caused for example by acting on the rotor blade wind, gravity or centrifugal force. In particular, the consideration of the force acting on the rotor blade has the advantage that the compensation value can be determined situation-related and accurately. Thus, the Lagerreibmoment can be optimally compensated.
Somit kann der Kompensationswert aus einem maximal in einem Rotorblattlager des Rotorblatts wirkenden Reibmoment ermittelt werden, das auf mindestens einer Rotorblattcharakteristik, einer Rotorblattdrehposition, einer Rotordrehgeschwindigkeit und/oder mindestens einem Blattwurzelbiegemoment basiert. Unter einer Rotorblattcharakteristik können wiederum Größen, wie der Rotorradius, die Blattmasse, die Position des Blattschwerpunkts im Blatt, der Laufkreisdurchmesser des verwendeten Lagers oder Reibungskoeffizienten verstanden werden. Unter einem Blattwurzelbiegemoment kann das auf die Blattwurzel oder das Blattlager wirkende Kippmoment verstanden werden.Thus, the compensation value can be determined from a maximum acting in a rotor blade bearing of the rotor blade friction torque based on at least one rotor blade, a rotor blade rotational position, a rotor rotational speed and / or at least one blade root bending moment. Under a rotor blade characteristics in turn sizes, such as the rotor radius, the sheet mass, the position of the blade center of gravity in the sheet, the running diameter of the bearing used or friction coefficient can be understood. Under a blade root bending moment acting on the blade root or the blade bearing tilting moment can be understood.
Der Kompensationswert kann ferner auf einer aktuellen Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts basieren. Somit kann berücksichtigt werden, ob sich das Rotorblatt in Ruhe befindet oder gerade zum Verändern des Anstellwinkels gedreht wird. Ferner kann die Richtung der Drehung des Rotorblatts berücksichtigt werden.The compensation value may also be based on a current pitch of the rotor blade. Thus, it can be considered whether the rotor blade is at rest or is being rotated just to change the angle of attack. Furthermore, the direction of rotation of the rotor blade can be taken into account.
In diesem Fall kann ein Betrag des Kompensationswerts durch das maximal in dem Rotorblattlager wirkende Reibmoment und ein Vorzeichen des Kompensationswerts durch die aktuelle Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts bestimmt werden, wenn die aktuelle Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts ungleich Null ist. Ferner können der Betrag des Kompensationswerts durch den kleineren Wert aus dem maximal in dem Rotorblattlager wirkenden Reibmoment und einem von extern angreifenden Moment und ein Vorzeichen des Kompensationswerts durch das von extern angreifende Moment bestimmt werden, wenn die aktuelle Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts gleich Null ist. Das sich im Blattlager einstellende Reibmoment ist der aktuellen Drehrichtung entgegengesetzt. Steht das Rotorblatt, so wirkt das Lagerreibmoment entgegen dem von extern am Lager angreifenden Moment.In this case, an amount of the compensation value can be determined by the maximum friction torque acting in the rotor blade bearing and a sign of the compensation value by the current pitch velocity of the rotor blade, if the current pitch velocity of the rotor blade is non-zero. Furthermore, the amount of the compensation value can be determined by the smaller value of the maximum friction torque acting in the rotor blade bearing and an externally applied torque and a sign of the Compensation value are determined by the externally applied torque when the current pitch of the rotor blade is equal to zero. The friction torque in the blade bearing is opposite to the current direction of rotation. If the rotor blade is stationary, the bearing friction torque counteracts the torque acting on the bearing externally.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein Schritt des Veränderns des Anstellwinkels des zumindest einen Rotorblatts basierend auf der kompensierten Stellgröße vorgesehen sein, um den Anstellwinkel auf den Sollwert einzustellen. Die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung berechnete kompensierte Stellgröße kann somit direkt in einen bestehenden Regel- und Einstellprozessablauf einfließen.According to one embodiment, a step of varying the angle of attack of the at least one rotor blade based on the compensated control variable may be provided to adjust the angle of attack to the desired value. The compensated manipulated variable calculated according to embodiments of the present invention can thus be incorporated directly into an existing control and adjustment process sequence.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines Kompensationswerts zur Kompensation eines Lagerreibmoments, das ein Einstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage beeinflusst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ermitteln eines maximal in einem Rotorblattlager des Rotorblatts wirkenden Reibmoments basierend auf mindestens einer Rotorblattcharakteristik, einer Rotorblattdrehposition, einer Rotordrehgeschwindigkeit und/oder mindestens einem Blattwurzelbiegemoment; und
Kombinieren des maximal in dem Rotorblattlager wirkenden Reibmoments mit einer aktuellen Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts, um den Kompensationswert zu bestimmen, wobei ein Betrag des Kompensationswerts durch das maximal in dem Rotorblattlager wirkende Reibmoment und ein Vorzeichen des Kompensationswerts durch die aktuelle Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts bestimmt werden, wenn die aktuelle Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts ungleich Null ist, und bei dem der Betrag des Kompensationswerts durch den kleineren Wert aus dem maximal in dem Rotorblattlager wirkenden Reibmoment und einem von extern angreifenden Moment und ein Vorzeichen des Kompensationswerts durch das von extern angreifende Moment bestimmt werden, wenn die aktuelle Pitchgeschwindigkeit des Rotorblatts gleich Null ist.The present invention further provides a method for determining a compensation value for compensating a bearing friction torque, which influences an adjustment of an angle of incidence of a rotor blade of a wind turbine, the method comprising the following steps:
Determining a maximum acting in a rotor blade bearing of the rotor blade friction torque based on at least one rotor blade characteristic, a rotor blade rotational position, a rotor rotational speed and / or at least one blade root bending moment; and
Combining the maximum acting in the rotor blade bearing friction torque with a current pitch of the rotor blade to determine the compensation value, wherein an amount of the compensation value by the maximum friction in the rotor blade bearing friction and a sign of the compensation value determined by the current pitch of the rotor blade, if actual pitch velocity of the rotor blade is non-zero, and in which the amount of compensation value is determined by the smaller value of the maximum friction moment acting in the rotor blade bearing and an externally applied moment and a sign of the compensation value by the externally applied moment, if the current one Pitch of the rotor blade is zero.
Der auf diese Weise Bestimmte Kompensationswert bildet die für eine Drehung des Rotorblatts zu überwindende Reibung möglichst genau ab.The compensation value determined in this way maps as accurately as possible the friction to be overcome for a rotation of the rotor blade.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Einstellen eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage auf einen Sollwert, wobei die Vorrichtung folgendes Merkmal aufweist:
eine Einrichtung zum Bestimmen einer kompensierten Stellgröße zum Einstellen des Anstellwinkels auf den Sollwert basierend auf einer reglerbasierten Stellgröße, die eine von einem Regler bereitgestellte Größe zum Einstellen des Anstellwinkels des Rotorblatts auf den Sollwert repräsentiert, und einem Kompensationswert zur Kompensation eines das Einstellen beeinflussenden Lagerreibmoments.The present invention further provides an apparatus for adjusting a pitch angle of a rotor blade of a wind turbine to a target value, the apparatus comprising:
a device for determining a compensated manipulated variable for setting the angle of attack to the desired value based on a controller-based manipulated variable representing a variable provided by a controller for setting the angle of attack of the rotor blade on the desired value, and a compensation value for compensating a Lagerreibmoments influencing the setting.
Somit schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung oder ein Anstellwinkeleinstellgerät, die bzw. das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen bzw. umzusetzen. Insbesondere kann die Vorrichtung oder das Anstellwinkeleinstellgerät Einrichtungen aufweisen, die ausgebildet sind, um je einen Schritt eines der Verfahren auszuführen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung oder eines Anstellwinkeleinstellgeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.Thus, the present invention provides an apparatus or pitch adjusting apparatus configured to perform the steps of the method of the invention. In particular, the device or the pitch angle adjuster may comprise means configured to execute each a step of one of the methods. Also by this embodiment of the invention in the form of a device or Anstellwinkeleinstellgeräts, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Unter einer Vorrichtung oder einem Anstellwinkeleinstellgerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das einen Anstellwinkel eines Rotorblatts einer Windkraftanlage auf einen Sollwert einstellen kann. Die Vorrichtung oder das Anstellwinkeleinstellgerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung oder des Anstellwinkeleinstellgeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.A device or a Anstellwinkeleinstellgerät can in the present case be understood as an electrical device that can set a pitch of a rotor blade of a wind turbine to a desired value. The device or the Anstellwinkeleinstellgerät may have an interface that may be designed in hardware and / or software. In the case of a hardware configuration, the interfaces may be part of a so-called system ASIC, for example, which includes a wide variety of functions of the device or the Anstellwinkeleinstellgeräts. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Programm auf einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product with program code for carrying out a method according to the invention when the program is executed on a device.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.
Die Rotorblätter
Ein Wert für den Anstellwinkel ß kann von einer bekannten IPC-Regelung vorgeben werden. Eine Einstellung eines Rotorblatts
Im Folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispiels ein Verfahren zum Bestimmen eines Kompensationswerts MReib,est zur Kompensation des Lagerreibmoments MReib beschrieben, das ein Einstellen des Anstellwinkels ß eines Rotorblatts
Zur Schätzung der Lagerreibung, die einer Drehung des Rotorblatts
Aus den genannten Größen lassen sich nun die Kräfte FRoot in der Blattwurzel eines Rotorblatts
Hierbei ist rTip der Blattspitzenradius, mBlade die Rotorblattmasse und rcm die Position des Blattschwerpunkts im Rotorblatt
Daraus lassen sich das Kippmoment, sowie die radial und axial am Blattlager wirkenden Kräfte berechnen: From this, the tilting moment as well as the forces acting radially and axially on the blade bearing can be calculated:
Das Kippmoment MKipp ist abhängig von den Blattwurzelbiegemomenten Mx, My.The tilting moment M tilt is dependent on the blade root bending moments M x , M y .
Die radial wirkende Kraft FRadial ist abhängig von den in x- und y-Richtung an der Blattwurzel wirkenden Kräften. Die axial wirkende Kraft FAxial ist abhängig von der in z-Richtung an der Blattwurzel wirkenden Kraft.The radially acting force F Radial is dependent on the forces acting on the blade root in the x and y directions. The axially acting force F Axial depends on the force acting on the blade root in the z-direction.
Viele Lagerhersteller haben Formeln veröffentlicht, wie aus den wirkenden Kräften und Momenten am Blattlager das maximale Reibmoment im Lager berechnet werden kann. Im Folgenden wird beispielsweise die in der Windkraftbranche häufig zur Modellierung der Lagerreibung verwendete Hösch-Rothe-Erde-Formel herangezogen:
Hierbei beschreibt MR die (maximale) Reibkraft. MR0 ist das Eigenreibmoment, MKipp das auf das Lager wirkende Kippmoment, FAxial die axial auf das Lager wirkende Kraft (z. B. Fliehkraft) und FRadial die radial wirkende Kraft. DR ist der Laufkreisdurchmesser des verwendeten Lagers. Die zugehörigen Reibungskoeffizienten sind μKipp, μAxial und μRadial. Diese, sowie das Eigenreibmoment MR0, werden von den Lagerherstellern veröffentlicht.MR describes the (maximum) frictional force. M R0 is the self-friction moment, M Tilting the tilting moment acting on the bearing, F Axial the force acting axially on the bearing (eg centrifugal force) and F Radial the radially acting force. DR is the diameter of the bearing used. The associated coefficients of friction are μ tilt , μ axial and μ radial . These, as well as the Eigenreibmoment M R0 , are published by the bearing manufacturers.
Nun ist das maximale im Blattlager wirkende Reibmoment bekannt. Das sich im Lager einstellende Reibmoment ist immer der aktuellen Drehrichtung des Rotorblatts
Mext ist die Summe der von extern am Blattlager angreifenden Momente. Dies sind das Antriebsmoment des Pitchantriebes, sowie das vom Rotorblatt her wirkende aerodynamische Drehmoment. Das aerodynamische Moment ist nicht bekannt. Üblicherweise ist es aber um mehr als eine Größenordnung kleiner als das vom Pitchantrieb aufgebrachte Moment. Es kann deshalb vernachlässigt werden und Mext kann näherungsweise gleich dem vom Positionsregler bestimmten Moment MK gesetzt werden. Das Vorzeichen von MK gibt die vom Regler gewünschte Drehrichtung an. Damit ist klar, dass das Reibmoment im Lager diesem genau entgegen wirken wird.M ext is the sum of externally applied moments at the blade bearing. These are the drive torque of the pitch drive and the aerodynamic torque acting from the rotor blade. The aerodynamic moment is unknown. Usually, however, it is more than an order of magnitude smaller than the moment applied by the pitch drive. It can therefore be neglected and M ext can be set approximately equal to the moment M K determined by the position controller. The sign of M K indicates the direction of rotation desired by the controller. It is therefore clear that the frictional torque in the bearing will counteract this exactly.
Ein gemessener aktueller Anstellwinkel ß wird einer ersten Verknüpfungseinrichtung zugeleitet. Der ersten Verknüpfungseinrichtung wird auch ein Sollwert ß* des Anstellwinkels zugeführt. Die erste Verknüpfungseinrichtung ist ausgebildet, um eine Subtraktion des Anstellwinkels ß von dem Sollwert ß* durchzuführen. Das Ergebnis dieser Verknüpfung stellt den Regelfehler in der Regelschleife dar und wird einem Regler K zugeführt. Der Regler K bestimmt aus dem Regelfehler eine reglerbasierte Stellgröße MK. Die reglerbasierte Stellgröße MK definiert ein Drehmoment, das an das Rotorblatt anzulegen ist, um den Anstellwinkel ß auf den Sollwert ß* einzustellen. Der Stellgröße MK wirkt jedoch eine Störgröße in Form eines Reibmoments MReib im Blattlager entgegen. Die Störgröße MReib verhindert eine korrekte Einstellung des Anstellwinkels ß für den Fall, dass der Anstellwinkel basierend auf der reglerbasierten Stellgröße MK eingestellt wird. Um die Störgröße MReib zu kompensieren, wird die reglerbasierte Stellgröße MK unter Einsatz eines Kompensationswerts MReib,est korrigiert.A measured current angle of attack β is fed to a first linking device. The first linking device is also supplied with a desired value β * of the setting angle. The first linking device is designed to perform a subtraction of the angle of attack β from the desired value β *. The result of this combination represents the control error in the control loop and is fed to a controller K. Controller K determines a controller-based manipulated variable M K from the control error. The controller-based manipulated variable M K defines a torque which is to be applied to the rotor blade in order to adjust the angle of attack β to the desired value β *. However, the manipulated variable M K counteracts a disturbance variable in the form of a friction torque M friction in the blade bearing. The disturbance M friction prevents a correct adjustment of the angle of attack ß for the case that the angle of attack is set based on the controller-based manipulated variable M K. To compensate for the disturbance variable M friction, the controller based control variable M K is corrected by using a compensation value M est friction.
Um den Kompensationswerts MReib,est zu bestimmten, wird der gemessene Anstellwinkel ß ferner einem Beobachter L zugeführt. Der Beobachter L ermittelt aus dem Positionssignal ß die aktuelle Drehgeschwindigkeit β . des Rotorblatts. Anstelle des Beobachters L kann eine andere geeignete Möglichkeit zum Ermitteln der Drehgeschwindigkeit β . vorgesehen sein. Auch kann es ausreichend sein, lediglich zu bestimmen ob eine Drehung vorliegt und sofern eine Drehung vorliegt in welche Richtung diese erfolgt.In order to determine the compensation value M friction, est , the measured angle of attack β is further fed to an observer L. The observer L determines the current rotational speed β from the position signal β. of the rotor blade. Instead of the observer L, another suitable possibility for determining the rotational speed β. be provided. It may also be sufficient to merely determine whether there is a rotation and if there is a rotation in which direction this occurs.
Eine Einrichtung HRE zum Berechnen des maximalen Lagerreibmoments ist ausgebildet, um Informationen über die Rotorblattdrehposition O, die Rotordrehgeschwindigkeit Ω . und die Blattwurzelbiegemomente Mx, My als Eingangsgrößen zu empfangen. Die Einrichtung HRE ist ausgebildet, um das maximale Lagerreibmoment zu berechnen, das im Blattlager wirken kann. Die Berechnung des maximalen Lagerreibmoments kann auf den Gleichungen (1), (2) und (3) basieren.A device HRE for calculating the maximum bearing friction torque is designed to provide information about the rotor blade rotational position O, the rotor rotational speed Ω. and receive the leaf root bending moments M x , M y as input quantities. The device HRE is designed to calculate the maximum bearing friction torque that can act in the blade bearing. The calculation of the maximum bearing friction torque can be based on equations (1), (2) and (3).
Eine Einrichtung MR empfängt die aktuelle Drehgeschwindigkeit β . des Rotorblatts von dem Beobachter L, das maximale Lagerreibmoment von der Einrichtung HRE und die reglerbasierte Stellgröße MK von dem Regler K als Eingangssignale. In dem Block MR wird aus diesen Eingangssignalen ein geschätztes Lagerreibmoment, also die voraussichtlich wirkende Störgröße MReib, als der Kompensationswert MReib,est zum Ausgleichen der Störgröße MReib berechnet. Die Berechnung kann gemäß Gleichung (4) ausgeführt werden.A device MR receives the current rotational speed β. of the rotor blade from the observer L, the maximum Lagerreibmoment of the device HRE and the controller-based control variable M K from the controller K as input signals. In the block MR, an estimated bearing friction torque, that is to say the interference variable M Reib which is likely to be effective, is calculated as the compensation value M Reib, est for compensating the disturbance M Reib from these input signals. The calculation can be carried out according to equation (4).
In einer zweiten Verknüpfungseinrichtung findet eine Addition des Kompensationswerts MReib,est aus dem Block MR zu der reglerbasierten Stellgröße MK von dem Regler K statt. Somit wird in der zweiten Verknüpfungseinrichtung eine kompensierte Stellgröße MK + MReib,est gebildet, die einer Summe aus der vom Regler berechneten Stellgröße MK und dem Kompensationswert MReib,est entspricht. Die kompensierte Stellgröße kann von einem Motor erzeugt werden und bewirken, dass der Anstellwinkel ß trotz der Störgröße MReib auf den Sollwert ß* eingestellt werden kann. Die Wirkung der kompensierten Stellgröße sowie der Störgröße MReib auf das Rotorblatt ist durch eine Übertragungsfunktion G angedeutet. Somit wird die Störgröße MReib durch den Kompensationswert MReib,est vollständig oder zumindest näherungsweise ausgeglichen.In a second linking device, an addition of the compensation value M friction, est from the block MR to the control-based manipulated variable M K by the controller K takes place. Thus, a compensated control variable M K + M friction, est is formed in the second linkage, which corresponds to a sum of the control variable calculated by the controller M K and the compensation value M friction, est . The compensated manipulated variable can be generated by a motor and cause the angle of attack ß despite the disturbance M friction can be adjusted to the setpoint ß *. The effect of the compensated manipulated variable and the disturbance M friction on the rotor blade is indicated by a transfer function G. Thus, the disturbance M friction by the compensation value M friction, est is completely or at least approximately compensated.
Zusammenfassend gesagt, berechnet der Beobachter L aus dem gemessenen Positionssignal ß die aktuelle Drehgeschwindigkeit β .. Dazu kann ein bekannter Beobachteransatz, wie beispielsweise Luenberg oder Kaiman-Filter, verwendet werden. Der Block HRE berechnet das maximale Lagerreibmoment gemäß Formel (1), (2) und (3). Dieses maximale Lagerreibmoment wird dem Block MR zur Verfügung gestellt, der gemäß Formel (4) das geschätzte Lagerreibmoment, den Kompensationswert MReib,est, berechnet. Dieses berechnete oder geschätzte Lagerreibmoment wird nun auf das vom Regler K vorgegebene Moment, die reglerbasierte Stellgröße MK, mit aufaddiert. Dadurch kann das physikalisch im Lager wirkende Reibmoment MReib kompensiert werden. In summary, the observer L calculates the current rotational speed β from the measured position signal β. For this purpose, a known observer approach, such as Luenberg or Kalman filters, can be used. Block HRE calculates the maximum bearing friction torque according to formulas (1), (2) and (3). This maximum bearing friction torque is provided to the block MR, which calculates the estimated bearing friction torque, the compensation value M friction, est according to formula (4). This calculated or estimated Lagerreibmoment is now added to the predetermined by the controller K torque, the controller-based manipulated variable M K , with. Thus the physically acting in the bearing friction can be compensated M friction.
Das geschätzte Lagerreibmoment wird natürlich nicht ganz exakt sein können. Dennoch wird durch die vorgeschlagene Kompensation, auch bei einem vorhandenen Schätzfehler, die Regelung deutlich verbessert, da nicht mehr das volle physikalische Lagerreibmoment MReib als Störung auf die Regelstrecke einwirkt, sondern abzüglich des Kompensationswerts MReib,est, also nur noch MReib – MReib,est. In Simulationen wurde gezeigt, dass dadurch der Regelfehler von ca. 0.5° auf unter 0.10° verbessert werden kann. Die mittlere Leistung im Pitchantrieb ändert sich dadurch nicht, Leistungsspitzen können deutlich reduziert werden. Eine solche Regelung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann als Ergänzung für bestehende Anlagenregelungen verwendet werden.Of course, the estimated bearing friction torque will not be exactly accurate. Nevertheless, the scheme is significantly improved by the proposed compensation, even with an existing estimation error, since no longer the full physical Lagerreibmoment M friction acts as a disturbance on the controlled system, but minus the compensation value M friction, est , so only M Reib - M Friction, est . In simulations it was shown that the control error can be improved from approx. 0.5 ° to below 0.10 °. The average power in the pitch drive does not change as a result, power peaks can be significantly reduced. Such a control according to embodiments of the present invention may be used as a supplement to existing plant regulations.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated as well as carried out in a sequence other than that described.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Rotorblattrotor blade
- ßß
- Ist-AnstellwinkelActual pitch
- ß*ß *
- Soll-AnstellwinkelTarget angle
- KK
- Reglerregulator
- MK M K
- reglerbasierte Stellgrößecontroller-based manipulated variable
- MReib M friction
- (tatsächliches) Lagerreibmoment(actual) bearing friction torque
- GG
- Übertragungsfunktiontransfer function
- 300300
- Einrichtung zum Bestimmen einer kompensierten StellgrößeDevice for determining a compensated manipulated variable
- 310310
- kompensierte Stellgrößecompensated manipulated variable
- MReib,est M friction, est
- Kompensationswertcompensation value
- LL
- Beobachterobserver
- β .β.
- Rotorblattdrehgeschwindigkeit (Pitchgeschwindigkeit)Rotor blade speed (pitch speed)
- MR M R
- Einrichtung zum Berechnen des LagerreibmomentsDevice for calculating the bearing friction torque
- OO
- RotorblattdrehpositionRotor blade rotation position
- Ω .Ω.
- RotordrehgeschwindigkeitRotor speed
- Mx, My M x , M y
- BlattwurzelbiegemomenteBlade root bending moments
- HREHRE
- Einrichtung zum Berechnen des maximalen LagerreibmomentsDevice for calculating the maximum bearing friction torque
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7160083 B2 [0003] US 7160083 B2 [0003]
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