DE102011052938A1

DE102011052938A1 - Verfahren und System zur Steuerung der Drehzahl einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011052938A1
Application number: DE102011052938A
Authority: DE
Inventors: Martin Staedler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2012-03-01
Also published as: US20110140425A1; DK201170450A; CN102400850A

Abstract

Eine Windkraftanlage (100) beinhaltet einen Antriebsstrang (156), eine Bremse (202), die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern, und ein Bremssteuersystem (204), das betriebsfähig mit der Bremse verbunden ist, wobei das Bremssteuersystem dafür konfiguriert ist, die Bremse auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage gezielt zu betreiben.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Der hierin beschriebene Gegenstand betrifft allgemein Windkraftanlagen und insbesondere ein Verfahren und ein System zur Steuerung einer Drehzahl einer Windkraftanlage.
Im Allgemeinen beinhaltet eine Windkraftanlage einen Rotor, der eine drehbare Nabenanordnung mit mehreren Rotorblättern beinhaltet. Die Rotorblätter wandeln Windenergie in ein mechanisches Drehmoment um, das über den Rotor einen oder mehrere Generatoren antreibt. Die Generatoren sind manchmal, jedoch nicht immer, durch ein Getriebe mit dem Rotor drehverbunden. Das Getriebe erhöht die inhärent niedrige Drehzahl des Rotors, damit der Generator die mechanische Rotationsenergie effizient in elektrische Energie umwandeln kann, die über mindestens eine elektrische Verbindung in ein Stromnetz gespeist wird. Es gibt auch getriebelose Windkraftanlagen. Der Rotor, der Generator, das Getriebe und andere Komponenten sind in der Regel in einem Gehäuse oder einer Gondel montiert, das bzw. die auf einem Turm angeordnet ist.
Zumindest einige bekannte Windkraftanlagen beinhalten ein mechanisches Bremssystem, das die Verringerung einer Drehzahl des Rotors erleichtert. Insbesondere wendet eine Bremszange eine Kraft gegen mindestens eine Seite einer Bremsscheibe an, die mit dem Rotor oder mit der Rotorwelle verbunden ist, wodurch Reibung erzeugt wird und bewirkt wird, dass die Bremsscheibe langsamer wird und/oder stoppt.
Zumindest einige bekannte Bremssysteme können Vibrationen oder Schwingungen in einem Antriebsstrang der Windkraftanlage verursachen, wenn die Bremse betätigt wird. Darüber hinaus kann, wenn die Windkraftanlage aufgrund einer Fehlfunktion oder einer anderen Bedingung von einem Stromnetz getrennt ist, ein Drehmoment des Generators verringert und/oder eliminiert werden. Wenn die Bremse betätigt wird, während der Generator vom Stromnetz getrennt ist, können Schwingungen im Antriebsstrang hervorgerufen und/oder verstärkt werden. Derartige Schwingungen können eine oder mehrere Komponenten des Antriebsstrangs und/oder der Windkraftanlage beschädigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform wird eine Windkraftanlage geschaffen, die einen Antriebsstrang und eine Bremse beinhaltet, die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern. Die Windkraftanlage beinhaltet außerdem ein Bremssteuersystem, das betriebsmäßig mit der Bremse verbunden ist. Das Bremssteuersystem ist dafür konfiguriert, die Bremse auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage gezielt zu betreiben.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Bremssystem für eine Windkraftanlage bereitgestellt, die einen Antriebsstrang beinhaltet. Das Bremssystem beinhaltet eine Bremse, die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern, und ein Bremssteuersystem, das betriebsmäßig mit der Bremse verbunden ist. Das Bremssteuersystem ist dafür konfiguriert, die Bremse auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage gezielt zu betreiben.
In noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Steuerung einer Drehzahl einer Windkraftanlage bereitgestellt, die einen Antriebsstrang und eine Bremse beinhaltet, die mit dem Antriebsstrang verbunden ist. Die Bremse ist dafür konfiguriert, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern. Das Verfahren beinhaltet das Extrahieren einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage aus einem ersten Signal und das gezielte Betreiben der Bremse auf Grundlage der Schwingungskenngröße, um die Schwingungskenngröße zu verringern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Windkraftanlage.
2 ist eine partielle Schnittansicht einer beispielhaften Gondel, die zur Verwendung mit der in 1 gezeigten Windkraftanlage geeignet ist.
3 ist eine partielle schematische Ansicht eines beispielhaften Antriebsstrangs, der zur Verwendung mit der in 1 gezeigten Windkraftanlage geeignet ist.
4 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Bremssteuersystems, das zur Verwendung mit dem in 3 gezeigten Antriebsstrang geeignet ist.
5 ist ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Steuerung einer Drehzahl einer Windkraftanlage, das zur Verwendung mit der in 1 gezeigten Windkraftanlage geeignet ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das hierin beschriebene Verfahren und das hierin beschriebene System stellen ein Bremssystem bereit, das Antriebsstrangschwingungen während eines Bremsvorgangs verringert oder eliminiert. Das Bremssystem misst eine Betriebsbedingung von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage und erzeugt ein Beschleunigungssignal auf Grundlage der gemessenen Betriebsbedingung. Das Beschleunigungssignal wird gefiltert, um ein Antriebsstrangsschwingungssignal zu extrahieren. Das Bremssystem betreibt gezielt eine Bremse auf Grundlage des Antriebsstrangsschwingungssignals, um eine oder mehrere Antriebsstrangschwingungen zu verringern und/oder zu eliminieren.
1 ist eine schematische Ansicht einer beispielhaften Windkraftanlage 100. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Windkraftanlage 100 eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse. Alternativ dazu kann die Windkraftanlage 100 eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse sein. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Windkraftanlage 100 einen Turm 102, der sich von einer Tragefläche 104 erstreckt und mit dieser verbunden ist. Der Turm 102 kann mit Ankerbolzen oder mittels eines Fundamentbefestigungsstücks (beide nicht gezeigt) mit der Fläche 104 verbunden sein. Eine Gondel 106 ist mit dem Turm 102 verbunden und ein Rotor 108 ist mit der Gondel 106 verbunden. Der Rotor 108 beinhaltet eine drehbare Nabe 110 und mehrere Rotorblätter 112, die mit der Nabe 110 verbunden sind. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet der Rotor 108 drei Rotorblätter 112. Alternativ dazu kann der Rotor 108 eine beliebige geeignete Anzahl von Rotorblättern 112 aufweisen, was der Windkraftanlage 100 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren. Der Turm 102 kann eine beliebige geeignete Höhe und/oder Konstruktion aufweisen, die der Windkraftanlage 100 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren.
Die Rotorblätter 112 sind in regelmäßigen Abständen um die Nabe 110 herum angeordnet, um das Drehen des Rotors 108 zu erleichtern, wodurch kinetische Energie vom Wind 114 in nutzbare mechanische Energie und anschließend elektrische Energie überführt wird. Der Rotor 108 und die Gondel 106 werden um den Turm 102 herum auf einer Hochachse 116 gedreht, um eine Perspektive der Rotorblätter 112 in Bezug auf eine Richtung des Winds 114 zu steuern. Die Rotorblätter 112 werden durch Verbinden eines Rotorblattfußteils 118 mit der Nabe 110 an mehreren Lastverlagerungsregionen 120 mit der Nabe 110 zusammengepasst. Die Lastverlagerungsregionen 120 weisen jeweils eine Nabenlastverlagerungsregion und eine Rotorblattlastverlagerungsregion (beide nicht in 1 gezeigt) auf. Auf die Rotorblätter 112 bewirkte Lasten werden über die Lastverlagerungsregionen 120 auf die Nabe 110 übertragen. Jedes Rotorblatt 112 beinhaltet außerdem einen Rotorblattspitzenteil 122.
In der beispielhaften Ausführungsform haben die Rotorblätter 112 eine Länge zwischen ungefähr 30 Meter (m) (99 Fuß (ft)) und ungefähr 120 m (394 ft). Alternativ dazu können die Rotorblätter 112 eine beliebige geeignete Länge haben, die der Windkraftanlage 100 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu funktionieren. Die Rotorblätter 112 können beispielsweise eine geeignete Länge von weniger als 30 m oder mehr als 120 m haben. Wenn der Wind 114 mit dem Rotorblatt 112 in Kontakt kommt, werden Auftriebskräfte auf das Rotorblatt 112 bewirkt und die Drehung des Rotors 108 um eine Drehachse 124 wird bewirkt, während der Rotorblattspitzenteil 122 beschleunigt wird.
Ein Neigungswinkel (nicht gezeigt) der Rotorblätter 112, d. h. ein Winkel, der die Perspektive des Rotorblatts 112 in Bezug auf die Richtung des Winds 114 bestimmt, kann durch eine Neigungsanordnung (in 1 nicht gezeigt) geändert werden. Genauer gesagt verringert das Erhöhen des Neigungswinkels des Rotorblatts 112 einen Umfang eines Rotorblattoberflächenbereichs 126, der dem Wind 114 ausgesetzt ist, und umgekehrt erhöht das Verringern des Neigungswinkels des Rotorblatts 112 einen Umfang des Rotorblattoberflächenbereichs 126, der dem Wind 114 ausgesetzt ist. Die Neigungswinkel der Rotorblätter 112 werden um eine Neigungsachse 128 herum an jedem Rotorblatt 112 angepasst.
2 ist eine partielle Schnittansicht der Gondel 106 der beispielhaften Windkraftanlage 100 (in 1 gezeigt). Verschiedene Komponenten der Windkraftanlage 100 sind in der Gondel 106 beherbergt. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Gondel 106 drei Neigungsanordnungen 130. Jede Neigungsanordnung 130 ist mit einem zugehörigen Rotorblatt 112 (in 1 gezeigt) verbunden und moduliert eine Neigung eines zugehörigen Rotorblatts 112 um die Neigungsachse 128 herum. Nur eine der drei Neigungsanordnungen 130 ist in 2 gezeigt. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet jede Neigungsanordnung 130 mindestens einen Neigungsantriebsmotor 131.
Wie in 2 gezeigt, ist der Rotor 108 mittels einer Rotorwelle 134 (manchmal als entweder eine Hauptwelle oder eine langsame Antriebswelle bezeichnet) mit einem elektrischen Generator 132, der in der Gondel 106 angeordnet ist, einem Getriebe 136, einer schnellen Antriebswelle 138 und einer Kupplung 140 drehverbunden. Die Drehung der Rotorwelle 134 treibt das Getriebe 136 drehbar an, das anschließend die schnelle Antriebswelle 138 antreibt. Die schnelle Antriebswelle 138 treibt den Generator 132 über die Kopplung 140 drehbar an und die Drehung der schnellen Antriebswelle 138 erleichtert die Produktion von Strom durch den Generator 132. Das Getriebe 136 wird von einer Halterung 142 gestützt und der Generator 132 wird von einer Halterung 144 gestützt. In der beispielhaften Ausführungsform nutzt das Getriebe 135 eine Doppelpfadgeometrie, um die schnelle Antriebswelle 138 anzutreiben. Alternativ dazu ist die Rotorwelle 134 direkt über die Kopplung 140 mit dem Generator 132 verbunden.
Die Gondel 106 beinhaltet außerdem einen Gierantriebsmechanismus 146, der die Gondel 106 und den Rotor 108 um die Gierachse 116 (in 1 gezeigt) herum dreht, um die Perspektive der Rotorblätter 112 in Bezug auf die Richtung des Winds 114 zu steuern. Die Gondel 106 beinhaltet außerdem mindestens eine Windmessvorrichtung 148, die eine Windfahne und einen Windmesser (beide nicht in 2 gezeigt) beinhaltet. In einer Ausführungsform liefert die Windmessvorrichtung 148 Informationen, darunter die Windrichtung und/oder die Windgeschwindigkeit, an ein Windkraftanlagensteuersystem 150. Das Windkraftanlagensteuersystem 150 beinhaltet eine oder mehrere Controller oder andere Prozessoren, die dafür konfiguriert sind, Steueralgorithmen auszuführen. Wie hierin verwendet, beinhaltet der Ausdruck „Prozessor” ein beliebiges programmierbares System, das Systeme und Mikrocontroller, Reduced-Instruction-Set-Circuits (RISC), anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), programmierbare logische Schaltungen (PLC) und eine beliebige andere Schaltung, die die hierin beschriebenen Funktionen ausführen kann, beinhaltet. Die obigen Beispiele sind nur beispielhaft und sollen folglich die Definition und/oder Bedeutung des Ausdrucks „Prozessor” auf keinerlei Weise einschränken. Darüber hinaus kann das Windkraftanlagensystem 150 ein SCADA-Programm (SCADA = Überwachung, Steuerung und Datenerfassung) ausführen.
Die Neigungsanordnung 130 ist betriebsfähig mit dem Windkraftanlagensteuersystem 150 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Gondel 106 außerdem ein vorderes Traglager 152 und ein hinteres Traglager 154. Das vordere Traglager 152 und das hintere Traglager 154 erleichtern die radiale Abstützung und Ausrichtung der Rotorwelle 134. Das vordere Traglager 152 ist in der Nähe der Nabe 110 mit der Rotorwelle 134 verbunden. Das hintere Traglager 154 wird in der Nähe des Getriebes 136 und/oder des Generators 132 auf der Rotorwelle 134 angeordnet. Die Gondel 106 kann eine beliebige Anzahl von Traglagern beinhalten, die der Windkraftanlage 100 ermöglichen, wie hierin offenbart zu funktionieren. Die Rotorwelle 134, der Generator 132, das Getriebe 136, die schnelle Antriebswelle 138, die Kupplung 140 und jede zugehörige Befestigungs-, Halte- und/oder Sicherungsvorrichtung, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, der Halterung 142, der Halterung 144, des vorderen Traglagers 152 und des hinteren Traglagers 154, werden manchmal als ein Antriebsstrang 156 bezeichnet. Der Antriebsstrang 156 kann als ein Zweimassensystem charakterisiert werden, das durch eine oder mehrere Kräfte, die von einem Bremssystem und/oder einem beliebigen geeigneten System (in 2 nicht gezeigt) erzeugt wird bzw. werden, leicht beschleunigt werden kann.
3 ist eine partielle schematische Ansicht des Antriebsstrangs 156, der zumindest zum Teil in der Gondel 106 (in 1 gezeigt) angeordnet ist. Der Antriebsstrang 156 beinhaltet ein Bremssystem 200, das zumindest zum Teil in dem Getriebe 135 angeordnet ist. Alternativ dazu ist das Bremssystem 200 mit der schnellen Antriebswelle 138 verbunden und/oder ist mit einer beliebigen geeigneten Komponente des Antriebsstrangs 156 und/oder der Windkraftanlage 100 verbunden. Das Bremssystem 200 erleichtert das Verlangsamen und/oder Stoppen einer Drehung des Rotors 108 und/oder einer Drehung des Generators 132. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Bremssystem 200 eine mechanische Bremse 201, die mit Hydraulikdruck betrieben wird. Alternativ dazu kann das Bremssystem 200 eine beliebige geeignete Bremse 202 beinhalten, einschließlich, ohne Einschränkung, einer Druckluftbremse und/oder einer Magnetbremse. Das Bremssystem 200 beinhaltet außerdem ein Bremssteuersystem 204, das betriebsfähig mit der Bremse 202 verbunden ist und einen Betrieb der Bremse 202 steuert.
Darüber hinaus beinhaltet die Bremse 202 in der beispielhaften Ausführungsform eine Bremsscheibe 206 und mindestens eine Bremszange 208, die mit der Bremsscheibe 206 verbunden ist. Die Bremszange 208 ist dafür konfiguriert, mindestens einen Teil der Bremsscheibe 206 aufzunehmen. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Bremszange 208 auf geeignete Weise mit einem ersten Ventil 210 und einem zweiten Ventil 212 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform sind das erste Ventil 210 und das zweite Ventil 212 parallel miteinander verbunden. In einer alternativen Ausführungsform beinhaltet das Bremssystem 200 ein einziges Ventil, wie das erste Ventil 210. In der beispielhaften Ausführungsform wirkt das erste Ventil 210 mit dem zweiten Ventil 212 zusammen, so dass das erste Ventil 210 eine Hauptbremsaktion der Bremszange 208 steuert und das zweite Ventil 212 eine Feinbremsaktion der Bremszange 208 steuert, indem es eine Schwingungsdämpfungsaktion auf die Bremszange 208 einsetzt. Die von dem ersten Ventil 210 erzeugte Hauptbremsaktion kann beispielsweise für eine allgemeine oder grobe Änderung oder Bremsaktion im Bremssystem 200 angewendet werden, um eine Drehzahl des Antriebsstrangs 156 zu verringern, und die von dem zweiten Ventil 212 erzeugte Schwingungsdämpfungsaktion kann für eine feine oder subtile Änderung im Bremssystem 200 angewendet werden, wie um eine oder mehrere Schwingungen im Antriebsstrangs 156 zu verringern oder zu eliminieren. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Bremssteuersystem 204 betriebsfähig mit dem ersten Ventil 210 zur Erzeugung der Hauptbremsaktion und mit dem zweiten Ventil 212 zur Erzeugung der Schwingungsdämpfungsaktion verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform sind das erste Ventil 210 und/oder das zweite Ventil 212 Hydraulikventile. Alternativ dazu können das erste Ventil 210 und/oder das zweite Ventil 212 ein beliebiges geeignetes Ventil beinhalten, einschließlich, ohne Einschränkung, mechanische Ventile, Druckluftventile und/oder Magnetventile.
In einer Ausführungsform kann das Bremssteuersystem 204 betrieben werden, um die Antriebsstrangschwingungen zu verringern oder zu eliminieren, wenn die Antriebsstrangschwingungen einen vorher definierten Amplitudengrenzwert überschreiten. Der vorher definierte Amplitudengrenzwert kann vom Windkraftanlagensteuersystem 150 und/oder einem beliebigen anderen geeigneten System abgerufen werden und/oder kann von einem Benutzer während einer Errichtung der Windkraftanlage 100 und/oder während eines Betriebs der Windkraftanlage 100 eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Bremssteuersystem 204 betrieben werden, um die Antriebsstrangschwingungen zu verringern, wenn ein Bremsvorgang eingeleitet wird, wie wenn das Windkraftanlagensteuersystem 150 und/oder ein anderes geeignetes System oder ein Benutzer eine Drehzahl des Rotors 108 und/oder der Windkraftanlage 100 verringern möchte.
4 ist ein Blockdiagramm des Bremssteuersystems 204. In der beispielhaften Ausführungsform wird das Bremssteuersystem 204 zumindest zum Teil von dem Windkraftanlagensteuersystem 150 (in 2 gezeigt) umgesetzt. Alternativ dazu wird das Bremssteuersystem 204 von einem beliebigen geeigneten System umgesetzt, das der Windkraftanlage 100 (in 1 gezeigt) ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten. In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Bremssteuersystem 204 einen oder mehrere Sensoren 300, der bzw. die betriebsfähig mit einer oder mehreren Komponenten der Windkraftanlage 100 und/oder des Bremssystems 200 verbunden ist bzw. sind. Die Sensoren 300 messen Betriebsbedingungen von derartigen Komponenten und/oder messen andere Umgebungsbedingungen. Genauer gesagt können die Sensoren 300, ohne Einschränkung, einen oder mehrere Messfühler beinhalten, um eine beliebige geeignete Betriebsbedingung zu messen, wie eine Auslenkung, eine Gier, eine Neigung, ein Moment, eine Beanspruchung, eine Belastung, eine Verschränkung, eine Beschädigung, eine Fehlfunktion, ein Rotordrehmoment, eine Rotorgeschwindigkeit und/oder eine Unregelmäßigkeit der von einer beliebigen Komponente der Windkraftanlage 100 gelieferten Leistung.
In der beispielhaften Ausführungsform ist jeder Sensor 300 in elektronischer Signalkommunikation mit einem Berechnungsmodul 302 zum Übertragen eines oder mehrerer geeigneter Signale, das bzw. die eine oder mehrere gemessene Betriebsbedingungen darstellt bzw. darstellen, an das Berechnungsmodul 302 zur Verarbeitung verbunden. Genauer gesagt überträgt in der beispielhaften Ausführungsform mindestens ein Sensor 300 ein Signal, das eine gemessene Drehzahl des Rotors 108 darstellt (hierin im Folgenden als ein „Rotorgeschwindigkeitssignal”). Alternativ oder zusätzlich dazu überträgt mindestens ein Sensor 300 ein Signal, das eine gemessene Drehzahl des Generators 132, eine gemessene Drehzahl der Rotorwelle 134, eine gemessene Drehzahl der schnellen Antriebswelle 138 und/oder eine gemessene Drehzahl einer beliebigen geeigneten Komponente der Windkraftanlage 100 und/oder des Bremssystems 200 darstellt. Darüber hinaus kann ein Bremsvorgang und/oder eine beliebige andere Kraft, die an den Antriebsstrang 156 übertragen wurde, eine oder mehrere Vibrationen und/oder Schwingungen auf eine oder mehrere Komponenten des Antriebsstrangs 156 bewirken. Derartige Vibrationen und/oder Schwingungen können eine Veränderung der Drehzahl und/oder eine Beschleunigung eines oder mehrerer Antriebsstrangkomponenten verursachen, wie in dem Rotor 108, der Rotorwelle 134, der schnellen Antriebswelle 138 und/oder einer beliebigen geeigneten Komponente des Antriebsstrangs 156. Wenn der Sensor 300 eine oder mehrere Betriebsbedingungen der Windkraftanlage 100 misst, können auch die Vibrationen und/oder Schwingungen gemessen und in das Sensorsignal eingebunden werden, wie das Rotorgeschwindigkeitssignal.
In der beispielhaften Ausführungsform verarbeitet das Berechnungsmodul 302 ein vom Sensor 300 empfangenes Signal und/oder führt mindestens einen Vorgang an diesem durch. In einer spezifischen Ausführungsform differenziert das Rotorgeschwindigkeitssignal (d. h. führt einen Ableitungsvorgang daran durch), um eine Beschleunigung des Rotors 108 zu berechnen. Das Berechnungsmodul 302 überträgt ein Signal, das die Beschleunigung des Rotors 108 darstellt (hierin im Folgenden als ein „Rotorbeschleunigungssignal” bezeichnet), an ein Filtermodul 304. Das Rotorbeschleunigungssignal beinhaltet mehrere Signalkomponenten, die eine oder mehrere Schwingungskenngrößen aufweisen, wie eine Frequenz und/oder eine Amplitude eines oder mehrerer Schwingungen oder Vibrationen. Genauer gesagt beinhaltet das Rotorbeschleunigungssignal eine Signalkomponente, die eine Antriebsstrangschwingung darstellt, und kann eine Signalkomponente beinhalten, die eine Beschleunigung aufgrund eines Bremsvorgangs (d. h. eine von einem Betrieb der Bremse 202 verursachte Abbremsung) darstellt. Alternativ dazu überträgt das Berechnungsmodul 302 ein beliebiges geeignetes Signal an das Filtermodul 304 nach dem Verarbeiten und/oder Durchführen mindestens eines Vorgangs an dem Signal.
Das Filtermodul 304 führt einen Filtervorgang an dem Rotorbeschleunigungssignal und/oder an einem beliebigen anderen geeigneten empfangenen Signal durch. Genauer gesagt beinhaltet das Filtermodul 304 in der beispielhaften Ausführungsform einen Bandpassfilter, der das empfangene Rotorbeschleunigungssignal filtert. Die Bandpassfrequenz ist im Wesentlichen gleich einer natürlichen Schwingungsfrequenz oder Eigenfrequenz des Antriebsstrangs 156. Wie hierin verwendet, bezieht sich die natürliche Schwingungsfrequenz des Antriebsstrangs 156 auf eine Schwingungsfrequenz des Antriebsstrangs 156 und/oder einer Komponente des Antriebsstrangs 156, die in dem Antriebsstrang 156 während eines Betriebs der Windkraftanlage 100 vorliegt, wenn das Bremssystem 200 nicht betätigt wird. Alternativ dazu ist die Bandpassfrequenz im Wesentlichen gleich einer natürlichen Frequenz des Rotors 108, einer natürlichen Frequenz der Rotorwelle 134, einer natürlichen Frequenz der schnellen Antriebswelle 138, einer natürlichen Frequenz des Generators 132 und/oder einer natürlichen Frequenz einer beliebigen geeigneten Komponente der Windkraftanlage 100 und/oder des Bremssystems 200. In der beispielhaften Ausführungsform filtert das Filtermodul 304 im Wesentlichen das Rotorbeschleunigungssignal mit der Eigenfrequenz des Antriebsstrangs, um im Wesentlichen eine Niederfrequenz-Abbremsungskomponente des Rotorbeschleunigungssignals (d. h. eine Abbremsungskomponente, die von der Hauptbremsaktion des Bremssystems 202 bewirkt wird, die oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde) zu entfernen. Als solches isoliert und/oder extrahiert das Filtermodul 304 ein gefiltertes Beschleunigungssignal, das die Antriebsstrangschwingungssignalkomponente darstellt, und überträgt das gefilterte Beschleunigungssignal an das Bremssteuermodul 306.
In der beispielhaften Ausführungsform steuert das Bremssteuermodul 306 gezielt einen Betrieb der Bremse 202 auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage 100, wie auf Grundlage des gefilterten Beschleunigungssignals. Genauer gesagt überträgt das Bremssteuermodul 306 ein Bremsbetätigungssignal an das Bremssteuersystem 204, um die Bremse 202 gezielt synchron in Bezug auf das gefilterte Beschleunigungssignal zu betätigen und zu lösen. In der beispielhaften Ausführungsform pendelt das gefilterte Beschleunigungssignal infolge der Antriebsstrangschwingungen zwischen einer positiven Polarität und einer negativen Polarität. Eine positive Polarität des gefilterten Beschleunigungssignals zeigt an, dass die Windkraftanlagenkomponente beschleunigt. Auf ähnliche Weise zeigt eine negative Polarität des gefilterten Beschleunigungssignals an, dass die Windkraftanlagenkomponente abbremst. Dementsprechend wird die Bremse 202 betätigt, wenn das gefilterte Beschleunigungssignal eine positive Polarität aufweist, und die Bremse 202 wird gelöst, wenn das gefilterte Beschleunigungssignal eine negative Polarität aufweist. Da die Betätigung der Bremse 202 eine negative Beschleunigung der schnellen Antriebswelle 138 bewirkt, verringert oder eliminiert das Betätigen der Bremse 202, wenn das gefilterte Beschleunigungssignal eine positive Polarität aufweist, eine Amplitude einer oder mehrerer Antriebsstrangbeschleunigungsschwingungen. Auf ähnliche Weise verringert oder eliminiert zudem das Lösen der Bremse 202, wenn das gefilterte Beschleunigungssignal eine negative Polarität aufweist, eine Amplitude von Antriebsstrangbeschleunigungsschwingungen.
Darüber hinaus kann eine Verzögerung zwischen einer Übertragung des Bremsbetätigungssignals und einem Betätigen und/oder Lösen der Bremse 202 mit dem Antriebsstrang 156 auftreten. In einer derartigen Situation passt das Bremssteuermodul 306 den Betrieb der Bremse 204 an, um die Verzögerung auszugleichen. Genauer gesagt verlagert oder verschiebt das Bremssteuermodul 306 das Bremsbetätigungssignal um einen Betrag, der im Wesentlichen gleich einer erwarteten Verzögerung der Betätigung der Bremse 202 ist, so dass die Bremse 202 betätigt und/oder gelöst wird, wenn die Polarität des gefilterten Beschleunigungssignals jeweils positiv und/oder negativ ist.
In der beispielhaften Ausführungsform werden das Berechnungsmodul 302, das Filtermodul 304 und/oder das Bremssteuermodul 306 zumindest zum Teil von dem Windkraftanlagensteuersystem 150 umgesetzt. Alternativ dazu werden das Berechnungsmodul 302, das Filtermodul 304 und/oder das Bremssteuermodul 306 von einem beliebigen geeigneten System umgesetzt, das dem Bremssteuersystem 204 ermöglicht, wie hierin beschrieben zu arbeiten.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren 400 zur Steuerung einer Drehzahl des Antriebsstrangs 156 (in 2 gezeigt) veranschaulicht. In der beispielhaften Ausführungsform wird das Verfahren zumindest zum Teil von einem Steuersystem umgesetzt, wie dem Windkraftanlagensteuersystem 150 (in 2 gezeigt). In der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 400 das Messen 402 mindestens einer Betriebsbedingung einer Windkraftanlagenkomponente. Sensor 300 (in 4 gezeigt) misst 402 beispielsweise eine Drehzahl des Rotors 108 (in 1 gezeigt) und erzeugt ein Signal, das die gemessene Drehzahl darstellt. Alternativ dazu misst 402 der Sensor 300 und/oder eine beliebige geeignete Vorrichtung eine beliebige geeignete Betriebsbedingung und erzeugt ein darstellendes Signal.
Ein Beschleunigungssignal wird auf Grundlage der gemessenen Betriebsbedingung, wie der gemessenen Drehzahl, erzeugt 404. Das Berechnungsmodul 302 (in 4 gezeigt) erzeugt 404 beispielsweise ein Beschleunigungssignal auf Grundlage einer gemessenen Drehzahl des Rotors 108. Alternativ dazu erzeugt 404 das Berechnungsmodul 302 und/oder eine beliebige geeignete Vorrichtung ein Beschleunigungssignal unter Verwendung einer beliebigen geeigneten gemessenen Betriebsbedingung.
Ein Antriebsstrangschwingungssignal wird aus dem Beschleunigungssignal extrahiert 406 oder isoliert. Genauer gesagt filtert das Filtermodul 304 (in 4 gezeigt) in der beispielhaften Ausführungsform mindestens eine Komponente des Beschleunigungssignals heraus, um das Antriebsstrangschwingungssignal (d. h. das gefilterte Beschleunigungssignal) aus dem Beschleunigungssignal zu extrahieren 406. Ein Betrieb eines Bremssystems, wie des Bremssteuersystem 204 (in 3 gezeigt), wird auf Grundlage des Antriebsstrangschwingungssignals gesteuert 408. Das Bremssteuermodul 306 (in 4 gezeigt) betätigt und/oder last beispielsweise gezielt die Bremse 202 und/oder die Bremszange 208, um eine Bremskraft auf die Bremsscheibe 206 (alle in 3 gezeigt) anzuwenden und/oder aufzuheben. Darüber hinaus betätigt das Bremssteuermodul 306 in der beispielhaften Ausführungsform die Bremse 202 und/oder die Bremszange 208, wenn eine Polarität des Antriebsstrangschwingungssignals positiv ist, und last die Bremse 202 und/oder die Bremszange 208, wenn die Polarität des Antriebsstrangschwingungssignals negativ ist. Als solches verringert und/oder eliminiert das Verfahren 400 eine oder mehrere Schwingungen und/oder Vibrationen in dem Antriebsstrang 156.
Ein technischer Effekt des hierin beschriebenen Systems und des hierin beschriebenen Verfahrens beinhaltet mindestens eines der folgenden: (a) Extrahieren einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente einer Windkraftanlage aus einem ersten Signal und (b) gezieltes Betreiben einer Bremse auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente einer Windkraftanlage, um die Schwingungskenngröße zu verringern, wobei die Bremse dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen stellen ein Bremssystem zur Verringern einer Drehzahl einer Windkraftanlage und/oder Verringern oder Eliminieren von Antriebsstrangschwingungen in der Windkraftanlage bereit. Das Bremssystem bewirkt eine Beschleunigung einer Komponente einer Antriebswelle und ein Antriebsstrangschwingungssignal wird extrahiert. Das Bremssystem steuert eine Aktivierung und eine Deaktivierung einer Bremse auf Grundlage des Antriebsstrangschwingungssignals. Dementsprechend verringern und/oder eliminieren das hierin beschriebene Bremssystem und das hierin beschriebene Verfahren Antriebsstrangschwingungen in einer Windkraftanlage. Als solches kann eine Betriebslebensdauer einer oder mehrerer Windkraftanlagenkomponenten verlängert werden.
Beispielhafte Ausführungsformen einer Windkraftanlage, eines Bremssystems und eines Verfahrens zur Steuerung einer Drehzahl einer Windkraftanlage sind oben ausführlich beschrieben. Die Windkraftanlage, das Bremssystem und das Verfahren sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt; vielmehr können Komponenten der Windkraftanlage und/oder des Bremssystems und/oder der Schritte des Verfahrens unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten genutzt werden. Das Bremssystem kann beispielsweise auch in Kombination mit anderen Windkraftanlagen und Verfahren verwendet werden und ist nicht auf die Ausübung mit nur der hierin beschriebenen Windkraftanlage und dem hierin beschriebenen Verfahren beschränkt. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Windkraftanlagenanwendungen umgesetzt und genutzt werden.
Obgleich spezifische Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung möglicherweise in einigen Zeichnungen gezeigt sind und nicht in anderen, ist dies nur der Zweckmäßigkeit halber. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann ein beliebiges Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit einem beliebigen anderen Merkmal einer beliebigen anderen Zeichnung referenziert und/oder beansprucht werden.
In dieser schriftlichen Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, zu offenbaren und auch um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuüben, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von beliebigen eingebundenen Verfahren. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann in den Sinn kommen. Derartige weitere Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die nicht vom genauen Wortlaut der Ansprüche abweichen, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum genauen Wortlaut der Ansprüche beinhalten.

Eine Windkraftanlage 100 beinhaltet einen Antriebsstrang 156, eine Bremse 202, die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern, und ein Bremssteuersystem 204, das betriebsfähig mit der Bremse verbunden ist, wobei das Bremssteuersystem dafür konfiguriert ist, die Bremse auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage gezielt zu betreiben. TEILELISTE

100	Windkraftanlage
102	Turm
104	Tragefläche
106	Gondel
108	Rotor
110	Nabe
112	Rotorblatt
114	Wind
116	Gierachse
118	Rotorblattfußteil
120	Lastverlagerungsregionen
122	Rotorblattspitzenteil
124	Drehachse
126	Rotorblattoberflächenbereich
128	Neigungsachse
130	Neigungsanordnung
131	Ein Neigungsantriebsmotor
132	Generator
134	Rotorwelle
136	Getriebe
138	Schnelle Antriebswelle
140	Kupplung
142	Halterung
144	Halterung
146	Gierantriebsmechanismus
148	Windmessvorrichtung
150	Windkraftanlagensteuersystem
152	Vorderes Traglager
154	Hinteres Traglager
156	Antriebsstrang
200	Bremssystem
202	Bremse
204	Bremssteuersystem
206	Bremsscheibe
208	Bremszange
210	Erstes Ventil
212	Zweites Ventil
300	Sensor
302	Berechnungsmodul
304	Filtermodul
306	Bremssteuermodul
400	Verfahren
402	Messen mindestens einer Betriebsbedingung einer Windkraftanlagenkomponente
404	Erzeugen eines Beschleunigungssignals auf Grundlage der gemessenen Betriebsbedingung
406	Extrahieren eines Antriebsstrangschwingungssignals aus dem Beschleunigungssignal
408	Steuern eines Betriebs eines Bremssystems auf Grundlage des Antriebsstrangschwingungssignals

Claims

Windkraftanlage (100), die Folgendes umfasst: einen Antriebsstrang (156); eine Bremse (202), die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern; und ein Bremssteuersystem (204), das mit der Bremse betriebsmäßig verbunden ist, wobei das Bremssteuersystem dafür konfiguriert ist, die Bremse auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage gezielt zu betätigen.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 1, wobei das Bremssteuersystem (204) weiterhin einen Sensor (300) in Signalkommunikation mit dem Bremssteuersystem umfasst, der dafür konfiguriert ist, eine Betriebsbedingung der Windkraftanlage zu messen.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 2, wobei das Bremssteuersystem (204) weiterhin ein Berechnungsmodul (302) umfasst, das für Folgendes konfiguriert ist: Empfangen eines Signals, das die Betriebsbedingung der Windkraftanlage darstellt, von dem Sensor und Berechnen einer Beschleunigung der Komponente.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 3, wobei das Bremssteuersystem (204) weiterhin ein Filtermodul (304) umfasst, das für Folgendes konfiguriert ist: Empfangen eines ersten Signals, das die berechnete Beschleunigung der Komponente darstellt, von dem Berechnungsmodul (302) und Extrahieren eines zweiten Signals, das eine Schwingung des Antriebsstrangs (156) darstellt, aus dem ersten Signal.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 4, wobei das Filtermodul (304) einen Bandpassfilter umfasst, der auf eine natürliche Schwingungsfrequenz des Antriebsstrangs (156) abgestimmt ist.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 1, wobei das Bremssteuersystem (204) dafür konfiguriert ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Schwingung des Antriebsstrangs (156) darstellt.
Windkraftanlage (100) nach Anspruch 6, wobei das Bremssteuersystem (204) für Folgendes konfiguriert ist: Betätigen der Bremse (202), wenn eine Polarität des Signals positiv ist; und Lösen der Bremse, wenn die Polarität des Signals negativ ist.
Bremssystem (200) für eine Windkraftanlage (100), die einen Antriebsstrang (156) beinhaltet, wobei das Bremssystem Folgendes umfasst: eine Bremse (202), die dafür konfiguriert ist, eine Drehzahl des Antriebsstrangs zu verringern; und ein Bremssteuersystem (204), das betriebsfähig mit der Bremse verbunden ist, wobei das Bremssteuersystem dafür konfiguriert ist, die Bremse auf Grundlage einer Schwingungskenngröße von mindestens einer Komponente der Windkraftanlage gezielt zu betreiben.
Bremssystem (200) nach Anspruch 8, wobei das Bremssteuersystem (204) weiterhin einen Sensor (300) in Signalkommunikation mit dem Bremssteuersystem umfasst, der dafür konfiguriert ist, eine Betriebsbedingung der Windkraftanlage (100) zu messen.
Bremssystem (200) nach Anspruch 9, wobei das Bremssteuersystem (204) weiterhin ein Berechnungsmodul (302) umfasst, das für Folgendes konfiguriert ist: Empfangen eines ersten Signals, das die Betriebsbedingung der Windkraftanlage (100) darstellt, von dem Sensor (300) und Berechnen einer Beschleunigung der Komponente.