DE102010054632A1 - Method and device for controlling a drive train of a wind turbine - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Steuerung eines Triebstrangs einer Windkraftanlage, die einen Rotor (101) mit mindestens einem Rotorblatt, eine mit dem Rotor verbundene Welle (205) und einen mit der Welle direkt oder über ein Getriebe (208) verbundenen Generator (209) aufweist, umfasst einen Schritt des Bestimmens einer die Drehzahl des Rotors (101) beeinflussenden Stellgröße basierend auf den Blattbiegemomenten des mindestens einen Rotorblatts.A method for controlling a drive train of a wind power plant, which comprises a rotor (101) with at least one rotor blade, a shaft (205) connected to the rotor and a generator (209) connected to the shaft directly or via a gear (208) a step of determining a manipulated variable influencing the rotational speed of the rotor (101) based on the blade bending moments of the at least one rotor blade.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Triebstrangs einer Windkraftanlage.The present invention relates to a method and apparatus for controlling a driveline of a wind turbine.
Windenergieanlagen treiben einen Generator über eine mit einem Rotor verbundene Welle an. Ein Triebstrang der Windenergieanlage besteht aus einer Rotorhauptwelle und – falls vorhanden – einem Getriebe. Eine Drehgeschwindigkeit des Rotors kann über ein Generatormoment des Generators und eine kollektive Blattverstellung der Rotorblätter des Rotors gesteuert werden.Wind turbines drive a generator via a shaft connected to a rotor. A drive train of the wind energy plant consists of a rotor main shaft and - if available - a transmission. A rotational speed of the rotor can be controlled via a generator torque of the generator and a collective pitch of the rotor blades of the rotor.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Steuerung eines Triebstrangs einer Windkraftanlage zu schaffen.It is the object of the present invention to provide an improved method and apparatus for controlling a driveline of a wind turbine.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Triebstrangs einer Windkraftanlage gemäß den Hauptansprüchen gelöst.This object is achieved by a method and a device for controlling a drive train of a wind turbine according to the main claims.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass aus einem antreibenden Moment, das von den Rotorblättern auf den Triebstrang der Windkraftanlage wirkt, sowohl Rückschlüsse auf die Torsionsbelastung des Treibstrangs als auch auf die Drehbeschleunigung des Rotors gezogen werden können. Das antreibende Moment kann wiederum aus Messwerten bestimmt werden, die bei einer Windkraftanlage üblicherweise ohnehin erfasst werden.The present invention is based on the finding that from a driving moment, which acts from the rotor blades on the drive train of the wind turbine, both conclusions about the torsional load of the drive train and on the rotational acceleration of the rotor can be drawn. The driving torque can in turn be determined from measured values that are usually detected anyway in a wind turbine.
Der erfindungsgemäße Ansatz kann beispielsweise bei einer Windenergieanlage mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern eingesetzt werden, bei der durch eine synchrone Verstellung der Blattwinkel die Drehzahl oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit so geregelt werden kann, dass durch die Änderung des Anstellwinkels der aerodynamische Auftrieb und somit das Antriebsmoment in solcher Weise verändert wird, dass die Anlage im Bereich der Nenndrehzahl gehalten wird. Dabei wird das Generatormoment des Generators der Windenergieanlage entweder konstant gehalten oder so eingestellt, dass die Anlage eine konstante elektrische Leistung abgibt.The inventive approach can be used, for example, in a wind turbine with horizontal axis and three rotor blades, in which by a synchronous adjustment of the blade angle, the speed above the rated wind speed can be controlled so that the change in the pitch aerodynamic lift and thus the drive torque in such The system is kept in the range of the rated speed. In this case, the generator torque of the generator of the wind turbine is either kept constant or adjusted so that the system delivers a constant electrical power.
Ein Großteil der aktuellen Windkraftanlagen verwendet ein Getriebe, um die niedrige Drehzahl des Rotors in eine höhere Drehzahl auf der Generatorseite zu übersetzen. Aufgrund des schwankenden Moments durch sich ändernde Windverhältnisse auf der Seite des Rotors, wird das Getriebe sich ständig wechselnden Belastungen ausgesetzt.Most of the current wind turbines use a gearbox to translate the low speed of the rotor into a higher speed on the generator side. Due to the fluctuating moment due to changing wind conditions on the side of the rotor, the transmission is exposed to constantly changing loads.
Bei der 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. Ein bekannter Ansatz, diese asymmetrischen aerodynamischen Lasten zu reduzieren, ist, den Anstellwinkel der Blätter individuell zu verstellen (engl.: Individual Pitch Control, IPC). Dabei werden typischerweise Sensoren in oder an den Rotorblättern angebracht, um die Blattwurzelbiegemomente zu messen. Daraus wird dann, mit Hilfe des bekannten Pitchwinkels des Rotorblattes, das Schlagbiegemoment bestimmt. Es handelt sich dabei um das Moment, welches aus der Rotorebene hinaus wirkt. Dieses dient dann als Regelgrößen für die individuelle Blattverstellung.In the collective pitch adjustment arise due to asymmetric aerodynamic loads pitching and yawing moments on the nacelle. The asymmetric loads arise z. As by wind shear in the vertical direction (boundary layers), yaw angle errors, gusts and turbulence, impoundment of the flow at the tower, etc. A known approach to reduce these asymmetric aerodynamic loads is to adjust the pitch of the leaves individually (English: Individual Pitch Control, IPC). Typically, sensors are mounted in or on the rotor blades to measure the blade root bending moments. From this, then, with the help of the known pitch angle of the rotor blade, determines the impact bending moment. It is the moment that acts out of the rotor plane. This then serves as a control variable for the individual blade adjustment.
Der erfindungsgemäße Ansatz ermöglicht eine verbesserte Einstellung oder Regelung des Generatormoments des von der Welle direkt oder über ein Getriebe angetriebenen Generators der Windkraftanlage, so dass schwankende Torsionsbelastung auf die Welle und den gesamten Antriebsstrang reduziert werden. Dadurch werden auf die Welle wirkende Ermüdungslasten reduziert. Weist der Antriebsstrang ein Getriebe auf, so kann eine Schädigung des Getriebes durch häufige Lastwechsel verhindert werden.The inventive approach allows for improved adjustment or regulation of the generator torque of the generator of the wind turbine driven directly by the shaft or via a transmission, so that fluctuating torsional load on the shaft and the entire drive train are reduced. As a result, fatigue loads acting on the shaft are reduced. If the drive train has a transmission, damage to the transmission due to frequent load changes can be prevented.
Zudem wird eine verbesserte Einstellung oder Regelung des kollektiven Anstellwinkels ermöglicht, so dass eine Drehzahlabweichung des Rotors von einer Nenndrehzahl verkleinert wird. Im Unterschied zur alleinigen Messung der Drehgeschwindigkeit des Rotors erlaubt der erfindungsgemäße Ansatz einen schnelleren Eingriff in die Drehzahlregelung des Rotors durch eine direkte Messung des beschleunigenden Antriebsmoments.In addition, an improved adjustment or control of the collective angle of attack is made possible so that a speed deviation of the rotor is reduced from a rated speed. In contrast to the sole measurement of the rotational speed of the rotor, the inventive approach allows a faster intervention in the speed control of the rotor by a direct measurement of the accelerating drive torque.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Steuerung eines Triebstrangs einer Windkraftanlage, die einen Rotor mit mindestens einem Rotorblatt, eine mit dem Rotor verbundene Welle und einen mit der Welle direkt oder über ein Getriebe verbundenen Generator aufweist, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
Bestimmen einer die Drehzahl des Rotors beeinflussenden Stellgröße basierend auf den Blattbiegemomenten des mindestens einen Rotorblatts.The present invention provides a method for controlling a drive train of a wind turbine, comprising a rotor with at least one rotor blade, a shaft connected to the rotor and a with the shaft directly or via a gear-connected generator, the method comprising the following step:
Determining a manipulating variable influencing the rotational speed of the rotor based on the sheet bending moments of the at least one rotor blade.
Eine Drehung des Rotors kann über die Welle auf den Generator übertragen und zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Der Rotor kann starr mit der Welle verbunden sein. Die Drehung des Rotors kann über die Welle direkt oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe auf den Generator übertragen werden. Die Drehzahl kann durch eine Veränderung aerodynamischer Eigenschaften am Rotor beeinflusst werden. Beispielsweise kann eine Stellung des Rotors oder der Rotorblätter zum Wind verändert werden. Insbesondere kann ein kollektiver Anstellwinkel der Rotorblätter verändert werden, um die Drehzahl zu beeinflussen. Zusätzlich oder alternativ kann die Drehzahl durch eine Veränderung an der Welle beeinflusst werden. Dabei kann eine der Drehung der Welle und somit des Rotors entgegenwirkendes Moment verändert werden. Insbesondere kann ein der Drehung entgegenwirkendes Generatormoment verändert werden, um die Drehzahl zu beeinflussen. Demnach kann die Stellgröße einen Wert für eine entsprechende Veränderung umfassen oder einen Wert repräsentieren, der selbst verändert wird, um die Veränderung am Rotor oder an der Welle zu bewirken. Beispielsweise kann der Stellwert einen Wert umfassen, um den der kollektive Anstellwinkel der Rotorblätter oder um den das Generatormoment verändert wird. Ebenso kann der Stellwert einen Wert umfassen, auf den der kollektive Anstellwinkel oder auf den das Generatormoment eingestellt wird. Unter einem Blattbiegemoment kann dasjenige Biegemoment verstanden werden, das am Übergangsbereich zwischen einem Rotorblatt und der Rotorwelle in der Rotorebene von dem Rotorblatt auf die Rotorwelle wirkt. Die Blattbiegemomente bewirken eine Drehung des Rotors um die Rotorachse. Dabei addieren sich die Blattbiegemomenten zu einem auf die Welle wirkenden antreibenden Moment. Jedes der Blattbiegemomente kann aus Blattwurzelbiegemomenten des jeweiligen Rotorsblatts ermittelt werden. Demnach kann die Stellgröße basierend auf den Blattwurzelbiegemomenten des mindestens einen Rotorblatts bestimmt werden. Unter einem Blattwurzelbiegemoment kann dasjenige Biegemoment verstanden werden, das am Übergangsbereich zwischen einem Rotorblatt und der Rotorwelle entlang einer die Rotorebene aufspannenden Achse von dem Rotorblatt auf die Rotorwelle wirkt. Jedes der Blattwurzelbiegemomente kann durch einen oder mehrere entsprechend angeordnete und geeignete Sensoren gemessen werden. Die Stellgröße kann aus den Biegemomenten unter Durchführung einer entsprechenden Bestimmungsvorschrift bestimmt werden. Zur Bestimmung der Stellgröße kann ferner die aktuelle Drehzahl des Rotors oder der Welle herangezogen werden. Somit kann die Stellgröße ferner basierend auf der aktuellen Drehzahl bestimmt werden. Die Drehzahl kann gemessen werden.A rotation of the rotor can be transmitted via the shaft to the generator and used to generate electrical energy. The rotor may be rigidly connected to the shaft. The rotation of the rotor can be transmitted via the shaft directly or via an intermediate gear to the generator. The speed can be influenced by changing the aerodynamic properties of the rotor. For example, a position of the rotor or the rotor blades can be changed to the wind. In particular, a collective angle of attack of the rotor blades can be changed in order to influence the rotational speed. Additionally or alternatively, the rotational speed can be influenced by a change on the shaft. In this case, one of the rotation of the shaft and thus the rotor counteracting moment can be changed. In particular, a generator torque counteracting the rotation can be changed in order to influence the rotational speed. Thus, the manipulated variable may include a value for a corresponding change or represent a value that is itself changed to cause the change on the rotor or on the shaft. For example, the manipulated variable may include a value by which the collective angle of attack of the rotor blades or by which the generator torque is changed. Likewise, the manipulated variable may include a value to which the collective angle of attack or to which the generator torque is set. A blade bending moment can be understood as the bending moment that acts on the rotor shaft from the rotor blade at the transition region between a rotor blade and the rotor shaft in the rotor plane. The blade bending moments cause the rotor to rotate about the rotor axis. The sheet bending moments add up to a driving moment acting on the shaft. Each of the leaf bending moments can be determined from leaf root bending moments of the respective rotor blade. Accordingly, the manipulated variable can be determined based on the blade root bending moments of the at least one rotor blade. A blade root bending moment can be understood to mean that bending moment which acts on the rotor shaft from the rotor blade at the transition region between a rotor blade and the rotor shaft along an axis spanning the rotor plane. Each of the blade root bending moments may be measured by one or more appropriately located and suitable sensors. The manipulated variable can be determined from the bending moments using a corresponding determination rule. To determine the manipulated variable can also be used the current speed of the rotor or the shaft. Thus, the manipulated variable can be further determined based on the current speed. The speed can be measured.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Stellgröße ein Generatormoment des von der Welle direkt oder über ein Getriebe angetriebenen Generators repräsentieren. Die Beeinflussung der Drehzahl durch das Generatormoment ist insbesondere in Betriebspunkten der Windkraftanlage vorteilhaft, die unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit der Windkraftanlage liegen. Bei diesen Betriebspunkten werden die Anstellwinkel der Rotorblätter möglichst auf einem optimalen Wert gehalten. Bei dem optimalen Wert kann es sich um einen Wert handeln, bei dem die auf den Rotor wirkende Windenergie bestmöglich zum Antrieb des Rotors genutzt werden kann. Demnach ist in diesen Betriebspunkten eine Veränderung der Anstellwinkel zur Beeinflussung der Drehzahl nicht sinnvoll.According to one embodiment, the manipulated variable may represent a generator torque of the generator driven by the shaft directly or via a transmission. The influencing of the speed by the generator torque is particularly advantageous in operating points of the wind turbine, which are below the rated wind speed of the wind turbine. At these operating points, the angles of incidence of the rotor blades are kept as optimal as possible. The optimum value may be a value at which the wind energy acting on the rotor can best be used to drive the rotor. Accordingly, a change in the angle of attack for influencing the speed is not useful in these operating points.
Das Generatormoment kann aus einem an einen aktuellen Betriebspunkt der Windkraftanlage angepassten festen Wert des Generatormoments und aus einem von den Blattbiegemomenten abhängigen veränderlichen Wert des Generatormoments bestimmt werden. Der Betriebspunkt kann von einer aktuellen Windgeschwindigkeit des auf den Rotor wirkenden Winds abhängen. Der feste Wert kann einem für den aktuellen Betriebspunkt optimalen Generatormoment entsprechen. Beispielsweise kann mittels des festen Werts des Generatormoments eine optimale Schnelllaufzahl der Windkraftanlage, d. h. ein optimales Verhältnis aus Windgeschwindigkeit und Drehgeschwindigkeit des Rotors eingestellt werden. Bei einer Veränderung des Betriebspunktes, beispielsweise aufgrund einer Veränderung der Windstärke, kann auch der feste Wert des Generatormoments angepasst werden. Der veränderliche Wert des Generatormoments kann sich durch eine Veränderung der Blattbiegemomente verändern. Beispielsweise kann der veränderliche Wert von dem festen Wert des Generatormoments subtrahiert werden, um das Generatormoment zu bestimmen. Das auf diese Weise bestimmte Generatormoment kann an dem Generator eingestellt werden.The generator torque can be determined from a fixed value of the generator torque adapted to a current operating point of the wind turbine and from a variable value of the generator torque which is dependent on the blade bending moments. The operating point may depend on an actual wind speed of the wind acting on the rotor. The fixed value may correspond to an optimum generator torque for the current operating point. For example, by means of the fixed value of the generator torque, an optimal high-speed number of the wind turbine, i. H. an optimal ratio of wind speed and rotational speed of the rotor can be adjusted. When the operating point changes, for example as a result of a change in the wind strength, the fixed value of the generator torque can also be adjusted. The variable value of the generator torque may change due to a change in the sheet bending moments. For example, the variable value may be subtracted from the fixed value of the generator torque to determine the generator torque. The generator torque determined in this way can be set on the generator.
Der veränderliche Wert des Generatormoments kann ausgebildet sein, um einer Veränderung eines auf einen die Welle umfassenden Antriebsstrang wirkenden Torsionsmoments entgegenzuwirken. Auf diese Weise kann eine Verdrehung des Triebstranges konstant oder nahezu konstant gehalten werden. Dadurch kann einer Materialermüdung oder Beschädigung von Elementen des Triebstranges entgegengewirkt werden.The variable value of the generator torque may be configured to counteract a change in a torsional moment acting on a drive train comprising the shaft. In this way, a rotation of the drive train can be kept constant or nearly constant. As a result, material fatigue or damage to elements of the drive train can be counteracted.
Beispielsweise kann der veränderliche Wert des Generatormoments neben den Biegemomenten ferner von einer Drehträgheit einer Nabe des Rotors, zusätzlich oder alternativ von einer Drehträgheit der Welle, zusätzlich oder alternativ von einer oder mehreren Drehträgheiten von einzelnen oder allen rotierenden Getriebeteilen, zusätzlich oder alternativ von einer Drehträgheit des Generators und zusätzlich oder alternativ von einer Getriebeübersetzung des Getriebes abhängig sein. Damit können die Wesentlichen Parameter, die die Drehung des Antriebstrangs beeinflussen berücksichtigt werden. For example, the variable value of the generator torque in addition to the bending moments of a rotational inertia of a hub of the rotor, additionally or alternatively of a rotational inertia of the shaft, additionally or alternatively of one or more rotational inertia of individual or all rotating transmission parts, additionally or alternatively by a rotational inertia of the Generator and additionally or alternatively be dependent on a transmission ratio of the transmission. This allows the main parameters that influence the rotation of the drive train to be taken into account.
Gemäß einer Ausführungsform, bei der das mindestens eine Rotorblatt einen verstellbaren Anstellwinkel aufweist, kann die Stellgröße den Anstellwinkel des mindestens einen Rotorblatts repräsentieren. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu der Repräsentation des Generatormoments durch die Stellgröße erfolgen. Dabei kann die Stellgröße einen Wert für einen kollektiven Anstellwinkel aller Rotorblätter repräsentieren. Die Beeinflussung der Drehzahl durch die Anstellwinkel ist insbesondere in Betriebspunkten der Windkraftanlage vorteilhaft, die oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit der Windkraftanlage liegen. Bei diesen Betriebspunkten werden die Anstellwinkel der Rotorblätter nicht auf einem optimalen Wert sondern auf einen Wert eingestellt, bei dem die auf den Rotor wirkende Windenergie nur teilweise zum Antrieb des Rotors genutzt wird, so dass eine zu hohe Belastung der Anlage vermieden wird. Demnach kann in diesen Betriebspunkten eine Veränderung der Anstellwinkel zur Beeinflussung der Drehzahl genutzt werden. Auch kann in diesen Betriebspunkten das Generatormoment bereits einen maximalen Wert aufweisen, so dass das Generatormoment für eine weitere Drosselung der Drehzahl nicht mehr genutzt werden kann.According to an embodiment in which the at least one rotor blade has an adjustable angle of attack, the manipulated variable may represent the angle of attack of the at least one rotor blade. This can be done additionally or alternatively to the representation of the generator torque by the manipulated variable. The manipulated variable can represent a value for a collective angle of attack of all rotor blades. The influencing of the speed by the angle of attack is particularly advantageous in operating points of the wind turbine, which are above the rated wind speed of the wind turbine. At these operating points, the pitch of the rotor blades are not set to an optimum value but to a value at which the wind energy acting on the rotor is only partially used to drive the rotor, so that an excessive load on the system is avoided. Accordingly, a change in the angle of attack for influencing the speed can be used in these operating points. Also, in these operating points, the generator torque already have a maximum value, so that the generator torque for further throttling the speed can no longer be used.
Beispielsweise können die Anstellwinkel basierend auf den Blattbiegemomenten und einer aktuellen Drehzahl der Windkraftanlage bestimmt werden. Dies ist möglich, da das antreibende Moment, dass sich aus der Summe der Biegemomente ergibt, von der den Anstellwinkeln abhängig ist. Über eine solche Bestimmung der Anstellwinkel können Drehzahlschwankungen sehr gut verhindert werden, da auf ein sich änderndes antreibendes Moment reagiert werden kann, noch bevor dieses eine Drehzahländerung bewirkt.For example, the angle of attack can be determined based on the sheet bending moments and a current speed of the wind turbine. This is possible because the driving moment that results from the sum of the bending moments depends on the angles of attack. About such a determination of the angle of attack speed fluctuations can be very well prevented, since it can be reacted to a changing driving torque, even before this causes a speed change.
Gemäß einer Ausführungsform können in einem Schritt des Einstellens das Generatormoments des Generators und zusätzlich oder alternativ die Anstellwinkel des mindestens einen Rotorblatts basierend auf der Stellgröße eingestellt werden. Auf diese Weise kann das Verfahren vorteilhaft genutzt werden, um eine Triebstrangregelung einer Windkraftanlage durchzuführen.According to one embodiment, in a step of setting, the generator torque of the generator and additionally or alternatively the angle of attack of the at least one rotor blade can be adjusted based on the manipulated variable. In this way, the method can be advantageously used to perform a powertrain control of a wind turbine.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zur Steuerung eines Triebstrangs einer Windkraftanlage, die einen Rotor mit mindestens einem Rotorblatt, eine mit dem Rotor verbundene Welle und einen mit der Welle direkt oder über ein Getriebe verbundenen Generator aufweist, mit folgendem Merkmal:
einer Einrichtung zum Bestimmen einer die Drehzahl des Rotors beeinflussenden Stellgröße basierend auf den Blattbiegemomenten des mindestens einen Rotorblatts.The present invention further provides an apparatus for controlling a power train of a wind turbine having a rotor with at least one rotor blade, a shaft connected to the rotor and a generator connected directly to the shaft or via a gearbox, with the following feature:
a device for determining a variable influencing the rotational speed of the rotor based on the sheet bending moments of the at least one rotor blade.
Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Schritte des Verfahrens zur Steuerung eines Triebstrangs einer Windkraftanlage auszuführen. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Die Vorrichtung kann Sensorwerte empfangen, daraus die Biegemomente und die Stellgröße bestimmen und die Stellgröße an eine Stelleinrichtung ausgeben oder zum direkten Einstellen eines Elements der Windkraftanlage nutzen.The apparatus may be configured to perform the steps of the method for controlling a driveline of a wind turbine. In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. The device can receive sensor values, determine the bending moments and the manipulated variable therefrom, and output the manipulated variable to an adjusting device or use it to directly set an element of the wind turbine.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem, einem Computer entsprechenden Gerät ausgeführt wird.A computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program is on a computer corresponding to a computer is also of advantage Device is running.
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 ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können.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.
Durch einen auf den Rotor
Die Vorrichtung
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung
Dazu werden aus den für die individuelle Pitchregelung gemessenen Blattwurzelbiegemomenten die Biegemomente MBL,i, d. h. die Biegemomente der Rotorblätter in der x-y-Rotorebene bestimmt und daraus wiederum durch Summation das vom Rotor
Der Treibstrang einer Windkraftanlage muss das Drehmoment vom Rotor
Hier beschreibt e die Auslenkung des Antriebstrangs, d. h. die Verdrillung aufgrund der Belastung durch das übertragene Drehmoment. Die Auslenkung ist negativ, wenn der Generator
Die Drehzahl Ω . des Rotors gehorcht der Differentialgleichung wobei unter normalen Betriebsbedingungen e < 0 ist, d. h. der Rotor treibt den Generator an. Basierend auf den gegebenen Gleichungen bestehen nun mehrere Varianten einer verbesserten Regelung.The speed Ω. of the rotor obeys the differential equation under normal operating conditions e <0, ie the rotor drives the generator. Based on the given equations, there are now several variants of improved control.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Reduktion von Triebstrangschwingungen.According to an embodiment of the present invention, a reduction of driveline vibrations occurs.
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Anregung von Schwingungen des Triebstranges verhindert werden kann, indem das Generatormoment folgendermaßen gewählt wird From equation (1) it can be seen that the excitation of vibrations of the drive train can be prevented by selecting the generator torque as follows
Für konstante Mfix wird dadurch erreicht, dass die rechte Seite der Differentialgleichung konstant wird. Da die Differentialgleichung für den Triebstrang stabil ist, wird ein konstantes e erhalten. Dadurch wird die Verdrehung des Triebstrangs konstant gehalten, wodurch keine Ermüdungslasten mehr eingebracht werden. Insbesondere die Drehmomentschwankungen, die aufgrund des Turmstaus in den Antriebsstrang eingebracht werden (3p Anregungsfrequenz bei Anlagen mit drei Rotorblättern) können durch dieses Verfahren keine Schädigung des Getriebes mehr bewirken.For constant M fix is achieved by the fact that the right side of the differential equation is constant. Since the differential equation for the drive train is stable, a constant e is obtained. As a result, the rotation of the drive train is kept constant, whereby no more fatigue loads are introduced. In particular, the torque fluctuations that are introduced due to the tower jam in the drive train (3p excitation frequency in systems with three rotor blades) can cause no damage to the transmission by this method more.
Dabei wird Mfix an den aktuellen Betriebspunkt der Windkraftanlage angepasst. In Region 2, unterhalb der Nenndrehzahl der Windkraftanlage, wird Mfix laufend angepasst. Eine Windkraftanlage kann üblicherweise im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, wenn Mfix in quadratischer Abhängigkeit von der Anlagendrehzahl eingestellt wird. Mfix wird in diesem Betriebsbereich also laufend verändert. Dies kann aber in einer Form geschehen, die möglichst wenige Belastungen für den Triebstrang bewirkt, indem die Drehzahl gefiltert wird, so dass Änderungen von Mfix langsam erfolgen. In Region 3, oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird Mfix konstant gehalten.Here, M fix is adapted to the current operating point of the wind turbine. In region 2, below the rated speed of the wind turbine, M fix is constantly being adjusted. A wind turbine can usually be operated at the optimum operating point, if M fix is set in quadratic dependence on the system speed. M fix is thus constantly changed in this operating area. However, this can be done in a form that causes the least possible load on the drive train by the speed is filtered, so changes of M fix take place slowly. In region 3, above the rated wind speed, M fix is kept constant.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt eine verbesserte Drehzahlregelung.According to a further embodiment of the invention, an improved speed control takes place.
Wird dazu Gleichung (2) betrachtet, so kann durch die Messung der Biegemomente in der Rotorebene MBL,i eine bessere Drehzahlregelung oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit für die Windkraftanlage implementiert werden.If equation (2) is considered, a better speed control above the nominal wind speed for the wind turbine can be implemented by measuring the bending moments in the rotor plane M BL, i .
Das antreibende Moment M einer Windkraftanlage, d. h. die Summe der Biegemomente in der Rotorebene MBL,i der Rotorblätter, hängt ab von der aktuellen Schnelllaufzahl λ und dem Pitchwinkel β der Rotorblätter.The driving moment M of a wind turbine, ie the sum of the bending moments in the rotor plane M BL, i of the rotor blades, depends on the current speed coefficient λ and the pitch angle β of the rotor blades.
Üblicherweise wird oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit die Anlagendrehzahl Ω . gemessen und bei Abweichungen von der Solldrehzahl durch Änderung des Pitchwinkels β der Rotorblätter das antreibende Moment so beeinflusst, dass die Drehzahlabweichungen wieder kleiner werden. Kann nun das antreibende Moment, d. h. die Summe der Biegemomente in der Rotorebene MBL,i der Rotorblätter, direkt gemessen werden, so erlaubt dies einen schnelleren Eingriff der Drehzahlregelung. Die Regelung kann sofort eingreifen, wenn das gemessene antreibende Moment vom gewünschten Sollmoment abweicht. Dadurch können Drehzahlabweichungen der Anlage verhindert werden. Anlagenregler nach dem Stand der Technik könnten erst reagieren, nachdem die aus dem Moment resultierende Beschleunigung zu einer Drehzahlabweichung aufintegriert ist.Usually, the system speed Ω is above the rated wind speed. measured and deviations from the target speed by changing the pitch angle β of the rotor blades, the driving torque influenced so that the speed deviations become smaller again. If the driving moment, ie the sum of the bending moments in the rotor plane M BL, i of the rotor blades, can now be measured directly, this allows faster intervention of the speed control. The control can intervene immediately if the measured driving torque deviates from the desired setpoint torque. As a result, speed deviations of the system can be prevented. Prior art system controllers could only react after the acceleration resulting from the moment has been integrated into a speed deviation.
Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist, dass die Störgröße im Regelkreis direkt gemessen wird. Durch die schnellere Reaktion der Regelung können beispielsweise Überdrehzahlen im Falle von extremen Windböen besser verhindert werden.The advantage of the method described is that the disturbance in the control loop is measured directly. Owing to the faster reaction of the regulation, for example, overspeeds in the case of extreme gusts of wind can be better prevented.
Zur Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahren kann auf bekannte Sensorik zur Messung von Blattwurzelbiegemomenten zurückgegriffen werden, wie sie beispielsweise zur individuelle Pitchregelung eingesetzt wird. Die gemessenen Größen können für die Regelung des Generatormoments und der Pitchwinkel verwendet werden, wodurch geringere Drehmomentschwankungen im Triebstrang erzielt werden und die Drehzahlabweichungen des Rotors ebenfalls reduziert sind.To implement the method according to the invention, recourse may be had to known sensor systems for measuring blade root bending moments, as used, for example, for individual pitch control. The measured quantities can be used to control the generator torque and pitch angles, thereby achieving lower torque fluctuations in the driveline and also reducing rotor speed deviations.
Eine solche Regelung kann auch als Zusatz für bestehende Anlagenregelungen eingesetzt werden. Durch die hier beschriebene Regelung kann eine erhebliche Reduzierung der Belastungen der Getriebe von Windkraftanlagen erzielt werden.Such a regulation can also be used as an addition to existing plant regulations. By the regulation described here, a significant reduction of the loads of the transmission of wind turbines can be achieved.
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Ansatz auch bei Windkraftanlagen eingesetzt werden, die einen andersartigen Rotor und einen andersartigen Triebstrang, beispielsweise mit einer vertikal angeordneten Welle aufweisen.The exemplary embodiments shown are chosen only by way of example and can be combined with one another. In particular, the inventive approach can also be used in wind turbines having a different type of rotor and a different drive train, for example with a vertically arranged shaft.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- Rotorrotor
- 203203
- Vorrichtungcontraption
- 205205
- Wellewave
- 207207
- Nabehub
- 208208
- Getriebetransmission
- 209209
- Generatorgenerator
- 311311
- Verfahrensschrittstep
- 313313
- Verfahrensschrittstep
- 315315
- Verfahrensschrittstep
- 317317
- Verfahrensschrittstep
- 415415
- Verfahrensschrittstep
- 417417
- Verfahrensschrittstep
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