DE102011112627A1

DE102011112627A1 - Method for monitoring and operating wind energy plant within wind farm, involves determining mechanical load of energy plant by evaluating device, and providing control variables of energy plant to control device based on measured variables

Info

Publication number: DE102011112627A1
Application number: DE102011112627A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kapp; Roland Gauch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2013-03-07

Abstract

The method involves determining measured variables as dynamic measured variables over a predetermined period by optically scanning a region of a wind energy plant (10) using a sensor. A mechanical load of the energy plant is determined by an evaluating device (22) based on the measured variables. Control variables of the energy plant are provided to a control device based on the measured variables. Mechanical stresses in a tower (11), a rotatable nacelle (12), a rotor axle (13), a rotor hub (14) and a rotor blade (15) of the wind energy plant are determined from the measured variables. The sensor is designed as an acceleration sensor, a sound sensor and/or a strain gauge. An independent claim is also included for a device for monitoring and operating a wind energy plant.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder zum Betrieb wenigstens einer Windenergieanlage sowie eine entsprechende Anordnung mit wenigstens einer Windenergieanlage.The present invention relates to a method and a device for monitoring and / or for operating at least one wind turbine as well as a corresponding arrangement with at least one wind turbine.

Stand der TechnikState of the art

Ein möglichst unterbrechungsfreier Betrieb von Windenergieanlagen (WEA) ist eine wesentliche Voraussetzung für ihre Wirtschaftlichkeit. Insbesondere ungeplante Betriebsunterbrechungen aufgrund von Schäden am Triebstrang oder an den Rotorblättern generieren beträchtliche Reparaturkosten und führen häufig zu Versicherungsfällen.A possible uninterrupted operation of wind turbines (WTG) is an essential prerequisite for their cost-effectiveness. In particular unplanned business interruptions due to damage to the driveline or to the rotor blades generate considerable repair costs and often lead to insurance claims.

Zur Vermeidung derartiger Nachteile ist bei WEA häufig eine sogenannte zustandsorientierte Instandhaltung vorgesehen, die in der Regel auf Basis einer schwingungsbasierten Zustandsüberwachung (Condition Monitoring, CM) in entsprechenden Zustandsüberwachungseinrichtungen bzw. -systemen (Condition Monitoring Systems, CMS) erfolgt. Durch derartige Vorrichtungen lassen sich z. B. beginnende Triebstrangschäden frühzeitig erkennen. CMS sind häufig zur Ferndiagnose eingerichtet, wobei die Zustandsmeldungen in zertifizierten Diagnosezentren, häufig durch speziell geschultes Personal, ausgewertet werden.In order to avoid such disadvantages, a so-called condition-oriented maintenance is often provided in WEA, which generally takes place on the basis of a vibration-based condition monitoring (CM) in corresponding condition monitoring systems or systems (Condition Monitoring Systems, CMS). By such devices can be z. B. early drivetrain damage early detect. CMS are often set up for remote diagnostics, with status messages being evaluated in certified diagnostic centers, often by specially trained personnel.

Durch den Einsatz von CMS lassen sich Fehler im Antriebsstrang oder Tragwerk frühzeitig erkennen, ungeplante Stillstände vermeiden und Kosten für Reserveteilbevorratung, Instandsetzung und Produktionsausfälle verringern. Insgesamt erhöht sich durch CMS die Verfügbarkeit und Produktionsstabilität von WEA.By using CMS, faults in the drivetrain or structure can be identified early, avoid unplanned shutdowns, and reduce costs for spare parts storage, repair, and lost production. Overall, CMS increases the availability and production stability of wind turbines.

Bei herkömmlichen CMS werden z. B. akustische Frequenzen von verschleißrelevanten Komponenten wie Getriebe, Lager(n) und Generator fortlaufend oder über bestimmte Zeiträume überwacht. Die gemessenen akustischen Frequenzen werden automatisch einem Ist-Soll-Abgleich unterzogen. Bei hinreichender Abweichung kann präventiv ein Serviceeinsatz geplant werden. Zur Auswertung der aufgezeichneten akustischen Frequenzen, die auch Körperschallschwingungen umfassen, werden bekannte Messroutinen und Analyseverfahren, wie beispielsweise die Frequenzanalyse, die Hüllkurvenanalyse und die Ordnungsanalyse eingesetzt.In conventional CMS z. B. audible frequencies of wear-related components such as transmission, bearing (s) and generator continuously or over certain periods monitored. The measured acoustic frequencies are automatically subjected to an actual setpoint adjustment. If there is sufficient deviation, preventive service can be planned. For the evaluation of the recorded acoustic frequencies, which also include structure-borne sound vibrations, known measuring routines and analysis methods, such as frequency analysis, envelope analysis and order analysis are used.

Aus der DE 10 2007 011 835 A1 , der US 200810069693 A1 und der DE 603 11 271 T2 sind unterschiedliche Anordnungen und Verfahren für das CM bei WEA bekannt. Die Richtlinie des Germanischen Lloyd Windenergie GmbH vom 01. November 2003 für die Zertifizierung von CMS bei WEA nennt eine Reihe von Messgrößen und Sensoriken für das CM und beschreibt Möglichkeiten zur Datenweitergabe und -auswertung.From the DE 10 2007 011 835 A1 , of the US 200810069693 A1 and the DE 603 11 271 T2 different arrangements and methods for the CM in WEA are known. The guideline of Germanischer Lloyd Windenergie GmbH of 01 November 2003 for the certification of CMS at WEA names a number of parameters and sensors for the CM and describes possibilities for data transfer and evaluation.

Eine verbesserte, lastreduzierende Steuerung bzw. Regelung entsprechender WEA auf Grundlage von Sensormesswerten, insbesondere mittels einer Anpassung der Blattstellung der Rotorblätter, ist ebenfalls grundsätzlich bekannt. Hierbei werden lokal auftretende Belastungsspitzen ermittelt und durch entsprechende Eingriffe in die Aktorik ausgeregelt.An improved, load-reducing control or regulation of corresponding WEA on the basis of sensor measured values, in particular by means of an adaptation of the blade position of the rotor blades, is also basically known. In this case, locally occurring load peaks are determined and corrected by appropriate intervention in the actuators.

Nachteilig an den erläuterten Systemen ist, dass jeweils aufwendige, betrieblich unvorteilhafte Sensoranordnungen erforderlich sind und die Ausgaben der Sensoren häufig durch Störeinflüsse beeinträchtigt werden können. Herkömmliche Sensoranordnungen liefern jeweils nur lokal begrenzte Messwerte, eine sichere Überwachung einer gesamten WEA ist nicht möglich. Die Überwachung und/oder der Betrieb erweisen sich daher als aufwendig und unzuverlässig.A disadvantage of the systems explained is that in each case complex, operationally unfavorable sensor arrangements are required and the outputs of the sensors can often be impaired by interference influences. Conventional sensor arrangements only provide locally limited measured values, reliable monitoring of an entire wind turbine is not possible. The monitoring and / or the operation therefore prove to be complex and unreliable.

Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten für die Überwachung und/oder den Betrieb von WEA, insbesondere für das CM und/oder eine lastreduzierende Regelung.There is therefore a need for improved possibilities for the monitoring and / or operation of wind turbines, in particular for the CM and / or load-reducing control.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und/oder zum Betrieb wenigstens einer Windenergieanlage sowie eine entsprechende Anordnung mit wenigstens einer Windenergieanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a method and a device for monitoring and / or for operating at least one wind turbine as well as a corresponding arrangement with at least one wind turbine with the features of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die vorliegende Erfindung stützt sich auf die optische Erlassung der Oberflächengeometrie vor WEA, insbesondere mittels dreidimensionalem (3D-)Laserscanning. Beim 3D-Laserscanning wird, wie an sich bekannt, die Oberflächengeometrie von Gegenständen mittels Laserstrahlen abgetastet. Über eine Auswertung der Pulslaufzeit, der Phasendifferenz oder durch Triangulation wird eine diskrete Menge dreidimensionaler Abtastpunkte (in Form einer sogenannten Punktwolke) generiert. Die Koordinaten der Abtastpunkte werden aus Winkeln und Entfernungen in Bezug auf einen Referenzpunkt (z. B. den Gerätestandort) ermittelt.The present invention is based on the optical determination of the surface geometry before WEA, in particular by means of three-dimensional (3D) laser scanning. In 3D laser scanning, as is known per se, the surface geometry of objects is scanned by means of laser beams. An evaluation of the pulse transit time, the phase difference or by triangulation generates a discrete set of three-dimensional sampling points (in the form of a so-called point cloud). The coordinates of the sampling points are determined from angles and distances with respect to a reference point (eg the device location).

Die Erfindung ist allerdings nicht auf das Laserscanning beschränkt, sondern kann auf alle geeigneten optischen Abtastverfahren, z. B. optische Triangulationsverfahren unter Verwendung entsprechender Spiegel und Reflektoren, zurückgreifen.However, the invention is not limited to laser scanning but can be applied to any suitable optical scanning method, e.g. B. optical Triangulation method using appropriate mirrors and reflectors, resort.

Durch entsprechende Verfahren, insbesondere das 3D-Laserscanning, können entweder Einzelmaße, wie z. B. Längen und Winkel, bestimmt werden oder es kann eine Rekonstruktion der Abtastpunkte zu einer dreidimensionalen Oberfläche (durch sogenannte Vermaschung) erfolgen. Eine derart rekonstruierte Oberfläche kann zur Visualisierung verwendet werden. Derartige Daten – z. B. Einzelwerte, Winkel, Längen oder rekonstruierte Oberflächen – werden im Rahmen dieser Anmeldung unter dem Begriff ”Messgrößen” zusammengefasst.By appropriate methods, in particular the 3D laser scanning, either individual dimensions, such. As lengths and angles, or it can be a reconstruction of the sampling points to a three-dimensional surface (by so-called meshing) done. Such a reconstructed surface can be used for visualization. Such data - z. As individual values, angles, lengths or reconstructed surfaces - are summarized in the context of this application under the term "measures".

Moderne Laserscanner erreichen eine Punktgenauigkeit von bis zu 1 mm und sind nicht auf räumliche Messgrößen beschränkt. Bei Laserscannern mit Impuls- oder Phasenmessung wird auch die Reflektanz des reflektierten Laserlichtes erfasst, so dass Aussagen über Oberflächeneigenschaften möglich sind. Mit Laserscannern können über 1 000 000 3D-Messpunkte pro Sekunde erfasst werden, so dass eine Untersuchung beweglicher Komponenten möglich ist.Modern laser scanners achieve a point accuracy of up to 1 mm and are not limited to spatial measurements. In laser scanners with pulse or phase measurement, the reflectance of the reflected laser light is also detected, so that statements about surface properties are possible. With laser scanners, more than 1 000 000 3D measuring points per second can be recorded so that it is possible to investigate moving components.

Besonders vorteilhaft ist eine Kombination aus einem Laserscanner mit einer integrierten Auswerteeinheit, mit welcher sich eine Lebensdauer von Rotorblättern und Turm einer WEA prognostizieren und ein drohender Ausfall von Komponenten vorhersagen lässt. Im Gegensatz zu den in der Einleitung erläuterten Verfahren lässt sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht nur eine Betriebszeit von Systemen vorhersagen, die mit entsprechenden Sensoren versehen sind; die erfindungsgemäße Prognose erstreckt sich vielmehr auf alle bewegten und/oder verformten bzw. verformbaren Komponenten einer WEA.Particularly advantageous is a combination of a laser scanner with an integrated evaluation unit, with which a life span of rotor blades and tower of a wind turbine can be predicted and a threatening failure of components can be predicted. In contrast to the methods explained in the introduction, the measures according to the invention can not only predict an operating time of systems which are provided with corresponding sensors; rather, the prognosis according to the invention extends to all moving and / or deformed or deformable components of a wind turbine.

Ein entsprechendes Verfahren kann daher zunächst eine Erfassung zeitlicher und räumlicher Positionsdaten beliebig vieler abgetasteter Punkte einer WEA oder einer Komponente hiervon als Messgrößen umfassen, aufgrund derer sich eine momentane (dynamische) Verformung bestimmen lässt. Vorteilhafterweise können hierbei auch Reflektoren zum Einsatz kommen, die, z. B. bei bewegten Komponenten, als Bezugspunkte verwendbar sind oder eine Messung auch bei schlechter Sicht gewährleisten. Aus der Verformung kann mittels Finiter-Elemente-Methode (FEM) auf entsprechende Spannungen geschlossen werden. Ein hierzu erforderliches Modell kann vorteilhafterweise für unterschiedliche Komponenten, unterschiedliche Anlagentypen, Baureihen usw. in einer Auswerteeinheit hinterlegt sein, so dass eine Überwachung unterschiedlicher WEA mit einer einzigen Messvorrichtung möglich ist. Dies kann beispielsweise in Form einer sukzessiven Abtastung mehrerer WEA, z. B. eines Windparks, erfolgen. Vorteilhaft kann auch sein, eine entsprechende Messvorrichtung zu den jeweiligen Anlagen zu transportieren. Aufgrund der hinterlegten Anlagendaten ist keine spezifische Anpassung an die jeweilige Anlage in Form einer aufwendigen Parametrierung erforderlich.A corresponding method can therefore initially include the acquisition of temporal and spatial position data of any number of sampled points of a WEC or a component thereof as measured variables, on the basis of which a momentary (dynamic) deformation can be determined. Advantageously, reflectors can also be used, which, for. B. in moving components, can be used as reference points or ensure a measurement even in poor visibility. From the deformation can be closed by means of finite element method (FEM) to appropriate voltages. A model required for this purpose can advantageously be stored for different components, different types of installations, series etc. in an evaluation unit, so that a monitoring of different wind turbines with a single measuring device is possible. This can, for example, in the form of a successive sampling of several WEA, z. B. a wind farm done. It can also be advantageous to transport a corresponding measuring device to the respective systems. Due to the stored system data, no specific adaptation to the respective system in the form of a complex parameterization is required.

Aus mittels FEM erfassten zeitlichen Spannungsverlaufen kann jeweils ein geeignetes Lastkollektiv bestimmt werden, das zuverlässige Aussagen über die Restlebensdauer einer entsprechenden Komponente oder hinsichtlich einer durchzuführenden Wartung zulässt. Entsprechende Daten können beispielsweise per Mobilfunk in definierbaren Zeitintervallen an den Hersteller oder den Betreiber der WEA oder an entsprechende Dienstleister versandt werden.A suitable load collective can be determined in each case from temporal voltage curves detected by means of FEM, which permits reliable statements about the remaining service life of a corresponding component or with regard to a maintenance to be performed. Corresponding data can be sent, for example, by mobile radio at definable time intervals to the manufacturer or the operator of the WEA or to corresponding service providers.

Bei einem zeitweisen Ausfall des Systems kann aus einem bisherigen Schädigungs- bzw. Belastungsverlauf bei ähnlichen Windbedingungen wie den aktuell gemessenen eine aktuelle Schädigung geschätzt werden. Dies kann beispielswiese dadurch geschehen, dass die Auswerteeinheit bei Betrieb des Systems berechnete Belastungswerte zusammen mit gemessenen oder anderweitig an die Auswerteeinheit übertragenen Informationen zu Windbedingungen, wie z. B. der mittleren Windgeschwindigkeit und der Turbulenzintensität, speichert und bei Ausfall des Systems auf die gespeicherten und ggf. weiterverarbeiteten, z. B. gemittelten Werte zugreift. Dadurch kann der Belastungsverlauf und damit der Schädigungsverlauf stets vorteilhaft fortgeschrieben und für eine akkumulierende Auswertung verwendet werden.In the case of a temporary failure of the system, a current damage can be estimated from a previous damage or load course under similar wind conditions as the currently measured actual damage. This can be done, for example, by the fact that the evaluation unit calculates load values calculated during operation of the system together with measured or otherwise transmitted to the evaluation unit information on wind conditions, such. As the average wind speed and the turbulence intensity stores and in case of failure of the system to the stored and possibly further processed, z. B. averaged values. As a result, the course of the load and thus the course of damage can always advantageously be updated and used for an accumulative evaluation.

Ein wesentlicher Vorteil der erläuterten optischen Abtastung ist eine deutlich größere räumliche Auflösung der entsprechend ermittelten Messgrößen. Hierdurch wird eine sehr viel präzisere Bestimmung entsprechender Spannungen und Belastungskollektive gegenüber herkömmlicher Sensorik ermöglicht. Herkömmlicherweise beispielsweise eingesetzte Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Beschleunigungssensoren können aus offensichtlichen Gründen nur an wenigen ausgewählten Messpunkten angebracht werden.A significant advantage of the illustrated optical scanning is a significantly greater spatial resolution of the correspondingly determined measured variables. As a result, a much more precise determination of corresponding voltages and load collective compared to conventional sensors is possible. For example, conventionally used strain gauges (DMS) or acceleration sensors, for obvious reasons, can only be mounted at a few selected measurement points.

Durch eine Überwachung mittels optischer Abtastung entfällt eine herkömmlicherweise erforderliche Sensorverkabelung in der Rotornabe. Der Metallanteil in den Rotorblättern, der die Gefahr von Blitzeinschlägen erhöht, kann reduziert werden. Herkömmlicherweise erforderliche, ihrerseits verschleißanfällige Schleifringverbindungen zur Anbindung der Sensoren an eine gegenüber dem Rotor feststehende Gondel der WEA können entfallen.By monitoring by means of optical scanning eliminates a conventionally required sensor cabling in the rotor hub. The metal content in the rotor blades, which increases the risk of lightning strikes, can be reduced. Conventionally required, in turn susceptible to wear slip ring connections for connecting the sensors to a fixed relative to the rotor nacelle of the WEA can be omitted.

Gegenüber herkömmlicher Sensorik ergibt sich eine bedeutend längere Lebensdauer. Beispielsweise lassen DMS einen zuverlässigen Dauerbetrieb von etwa einem Jahr zu, wohingegen der Betrieb eines Laserscanners keiner prinzipiellen Lebensdauerbeschränkung unterliegt.Compared to conventional sensors results in a significantly longer life. For example, DMS allow reliable continuous operation of about one year, whereas the operation of a laser scanner is not subject to any basic lifetime restriction.

Aufgrund der räumlichen Trennung eines entsprechenden Laserscanners von der WEA lassen sich, wie erwähnt, mehrere Anlagen und/oder mehrere Anlagenkomponenten durch eine einzige Überwachungseinrichtung überwachen. Eine entsprechende Messvorrichtung integriert die herkömmliche Einzelsensorik und eine zugehörige Auswerteeinheit.Due to the spatial separation of a corresponding laser scanner from the WT, it is possible, as mentioned, to monitor a plurality of systems and / or several system components by a single monitoring device. A corresponding measuring device integrates the conventional individual sensor system and an associated evaluation unit.

Bedeutende Vorteile können dann erzielt werden, wenn die Daten konventioneller Sensoren, z. B. der erwähnten DMS, mit den durch die optische Abtastung ermittelten Daten verglichen werden. Hierbei kann eine wechselseitige Validierung erfolgen, wodurch insbesondere Ausfälle oder falsche Kalibrierungen bestehender Sensoren erkannt werden können. Eine entsprechende optische Abtastung kann ferner dazu verwendet werden, mathematische Modelle zu verifizieren, etwa indem Schwingungseigenschaften, wie z. B. Eigenmoden der Blätter, auf der gesamten Blattlänge gemessen und mit entsprechenden Modellen verglichen werden. Eine entsprechende Messvorrichtung kann problemlos transportiert und vor anderen WEA, z. B. innerhalb eines Windparks, angeordnet werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Reihe von mit herkömmlicher Sensorik versehenen WEA kalibriert werden. Wie erwähnt, können auch mehrere Anlagen von einer zentralen Position aus abgescannt werden.Significant benefits can be achieved if the data of conventional sensors, eg. As the mentioned DMS, are compared with the determined by the optical scan data. This can be done a mutual validation, which in particular failures or incorrect calibrations of existing sensors can be detected. A corresponding optical scan can also be used to verify mathematical models, such as by vibration characteristics such. B. eigenmodes of the leaves, measured on the entire length of the sheet and compared with corresponding models. A corresponding measuring device can be transported easily and before other wind turbines, z. B. within a wind farm, are arranged. As a result, for example, a number of WEA provided with conventional sensors can be calibrated. As mentioned, several systems can be scanned from a central location.

Ein besonderer Vorteil des optischen Abtastverfahrens ist die Möglichkeit, zwischen Eis oder Verschmutzungen auf entsprechenden Komponenten einer Anlage einerseits und Defekten, wie Rissen, andererseits zu differenzieren. Über die Auswertung entsprechender Schwingungsspektren sind konventionelle Systeme lediglich dazu in der Lage, festzustellen, dass z. B. ein Rotorblatt grundsätzlich verändert ist. Insbesondere durch hochauflösendes Laserscanning kann jedoch festgestellt werden, dass z. B. partielle Eisansätze (festgestellt als lokale Erhebungen), Risse oder Löcher (lokale Vertiefungen) oder mögliche innere Defekte (bei intakter Oberfläche aber verändertem dynamischem Verhalten, wie z. B. veränderter Eigenschwingung oder Vorliegen über weitere Sensorik festgestellter Defekte) besser zu erkennen. Insbesondere ist in diesem Zusammenhang eine Oberflächenerkennung durch Laserscanning mit Impuls- oder Phasenmessung, bei dem, wie erläutert, auch die Reflektanz des reflektierten Laserlichtes erfasst wird, von hohem diagnostischem Wert. Beispielsweise kann bei zunehmender Oberflächenrauhigkeit auf einen erhöhten Abnutzungsgrad geschlossen werden.A particular advantage of the optical scanning method is the ability to differentiate between ice or dirt on corresponding components of a system on the one hand and defects such as cracks on the other hand. On the evaluation of appropriate vibration spectra conventional systems are only able to determine that z. B. a rotor blade is fundamentally changed. However, in particular by high-resolution laser scanning can be found that z. As partial ice approaches (found as local elevations), cracks or holes (local depressions) or possible internal defects (with an intact surface but changed dynamic behavior, such as changed natural vibration or presence on other sensors detected defects) better visible. In particular, in this context, a surface detection by laser scanning with pulse or phase measurement, in which, as explained, the reflectance of the reflected laser light is detected, of high diagnostic value. For example, it can be concluded with increasing surface roughness on an increased degree of wear.

Eine entsprechende Messvorrichtung bzw. ein entsprechendes Verfahren kann also einerseits im Rahmen eines CM eingesetzt werden, das z. B. Prognosen über eine Restlebensdauer von Komponenten und einen sogenannten zustandsorientierten Betrieb zulässt.A corresponding measuring device or a corresponding method can therefore be used on the one hand in the context of a CM, the z. B. Predictions about a residual life of components and a so-called state-oriented operation allows.

Durch die optische Abtastung ermittelte Messgrößen lassen sich jedoch gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung auch zu einer Regelung bzw. Steuerung einer WEA verwenden. Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile gelten hier in gleicher Weise.However, according to a further aspect of the invention, measured variables determined by the optical scanning can also be used for controlling or controlling a wind turbine. The features and advantages explained above apply here in the same way.

Die Regelung der Blattwinkel (Pitch) von WEA erfolgt herkömmlicherweise kollektiv (also in Bezug auf sämtliche Rotorblätter) auf Grundlage von Drehzahlinformationen der Anlage (auch als Collective Pitch Control, CPC, bezeichnet). Neuere Regelverfahren berücksichtigen darüber hinaus auch Belastungen an einzelnen Rotorblättern. Zur Bestimmung der Belastungen kommen i. d. R. weitere Sensoren an den Blattwurzeln, z. B. DMS, Fiber-Bragg-Sensoren in den Rotorblättern oder Beschleunigungssensoren in den Blattspitzen zum Einsatz. Durch eine blattindividuelle Verstellung (Einzelblattverstellung, Individual Pitch Control, IPC) können auf die Blätter, die Nabe, die Gondel und/oder den Turm von WEA einwirkende effektive Lasten deutlich reduziert werden. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer und/oder reduziert sich der erforderliche Wartungs- und Materialaufwand. Auch eine Azimutverstellung auf Grundlage der durch optische Abtastung ermittelten Messgrößen ist möglich.Conventionally, pitch control (pitch) of wind turbines is collectively (ie, with respect to all rotor blades) based on unit rotational speed information (also known as collective pitch control, CPC). Newer control methods also take into account loads on individual rotor blades. To determine the loads i. d. R. other sensors on the leaf roots, z. As DMS, fiber Bragg sensors in the rotor blades or acceleration sensors in the blade tips used. With a blade-individual adjustment (single blade adjustment, individual pitch control, IPC) effective loads on the blades, hub, nacelle and / or tower of WEA can be significantly reduced. This increases the life and / or reduces the required maintenance and material costs. An azimuth adjustment based on the measured variables determined by optical scanning is also possible.

Auch eine Kombination mit weiterer Sensorik ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft. Beispielsweise kann ein Anemometer zur Fernerkundung, bevorzugt eine vertikale Lidar-Einrichtung verwendet werden. Hierüber kann die Windgeschwindigkeit vor der WEA gemessen werden. Auf dieser Grundlage ist es möglich, den Zusammenhang zwischen auftretenden Windfeldern und der resultierenden Belastung der WEA exakter zu ermitteln. Eine entsprechende Bestimmung kann zu Forschungszwecken und/oder zur Bereitstellung einer verbesserten Regelung eingesetzt werden.A combination with other sensors is advantageous in this context. For example, an anemometer for remote sensing, preferably a vertical lidar device can be used. This allows the wind speed before the wind turbine to be measured. On this basis, it is possible to more accurately determine the relationship between occurring wind fields and the resulting WEA load. Such a provision may be used for research purposes and / or to provide improved regulation.

Wird eine optische Abtastung für die Erfassung eingesetzt, können die entsprechend ermittelten Messdaten zusätzlich zu herkömmlichen Sensordaten verwendet werden oder diese ersetzen. Eine vorteilhafte Messvorrichtung ist daher dazu eingerichtet, entsprechende Messgrößen einer Regeleinrichtung zur Ansteuerung zur Verfügung zu stellen. Hierbei können aus den Messdaten Steuersignale generiert werden, die an eine entsprechende Anlagesteuerung übertragen und zum Eingriff in die Aktorik verwendet werden können.If an optical scan is used for the acquisition, the appropriately determined measurement data can be used in addition to or replace conventional sensor data. An advantageous measuring device is therefore set up to provide corresponding measured variables of a control device for activation. In this case, control signals can be generated from the measured data which can be transmitted to a corresponding system controller and used to engage in the actuator system.

Ist im Rahmen dieser Anmeldung dabei von einer Bestimmung von Messgrößen die Rede, ist dies nicht auf statische Verformungen beschränkt, sondern umfasst auch die Erfassung von dynamischen Bewegungen.If, in the context of this application, there is talk of a determination of measured variables, this is not limited to static deformations, but also includes the detection of dynamic movements.

Beispielsweise kann die umlaufperiodische Auslenkung jedes Rotorblatts in Schlagrichtung bestimmt werden und ein zusätzlicher, umlaufperiodischer Blattverstellwinkel ermittelt werden, der in Form einer IPC auf die zuvor erläuterte CPC aufgeschaltet werden kann. Ein entsprechendes, in einer Messvorrichtung generiertes zusätzliches Stellsignal kann, z. B. per Funk, an eine Anlagensteuerung in der WEA weitergeleitet werden und über die Blattaktorik zu einem kontinuierlichen Einstellen des Zusatzwinkels verwendet werden.For example, the rotational periodic deflection of each rotor blade in the direction of impact can be determined and an additional, circulating periodic blade pitch can be determined, which can be switched in the form of an IPC on the previously explained CPC. A corresponding, generated in a measuring device additional control signal can, for. B. by radio, are forwarded to a plant control in the wind turbine and be used on the sheet actuator to a continuous adjustment of the additional angle.

Auch eine Messung einer seitlichen Bewegung einer Turmspitze einer WEA, eine Berechnung der Beschleunigung durch Ableitung, die Berechnung von IPC-Winkeln zur Dämpfung der seitlichen Beschleunigung und eine Weiterleitung an die Anlagensteuerung sind vorteilhaft.Also a measurement of a lateral movement of a tower top of a WT, a calculation of the acceleration by derivation, the calculation of IPC angles for damping the lateral acceleration and a forwarding to the plant control are advantageous.

Insbesondere durch Laserscanning ist eine sehr viel präzisere und zuverlässigere Beurteilung der Dynamik der WEA-Geometrie möglich, so dass entsprechende Regelziele genauer erreicht werden und aufwendigere, materialschonendere Regelverfahren zum Einsatz kommen können.Laser scanning in particular makes possible a much more precise and reliable assessment of the dynamics of the WEA geometry, so that corresponding control objectives can be achieved more precisely, and more elaborate, more gentle material control methods can be used.

Vorteilhafterweise kann z. B. eine tatsächliche Turm- und Blattverformung der WEA ermittelt werden. Hieraus können mehrere Moden bestimmt und Berechnungsverfahren zur Bestimmung von Steuergrößen zum Ausregeln beliebiger Moden angewandt werden. Mit einem herkömmlichen Beschleunigungssensor kann beispielsweise die Bewegung der zweiten Turmmode nicht erkannt werden, wohingegen das Scanergebnis mit einem Laserscanner mit einer nachgeschalteten Polynomregression zur Bestimmung einer entsprechenden Mode verwendet werden kann.Advantageously, z. B. an actual tower and blade deformation of the wind turbine can be determined. From this, several modes can be determined and calculation methods can be used to determine control variables for correcting any modes. With a conventional acceleration sensor, for example, the movement of the second tower mode can not be detected, whereas the scan result can be used with a laser scanner with a downstream polynomial regression to determine a corresponding mode.

Vorteilhafterweise kann auch aufgrund der über alle Rotorblätter gemittelten Auslenkung in Schlagrichtung ein kollektiver Zusatzwinkel berechnet werden, der temporären Belastungen der Anlage entgegenwirkt (z. B. in Form einer Böenkompensation als ”zusätzliche” CPC).Advantageously, a collective additional angle can also be calculated on the basis of the deflection averaged over all rotor blades in the impact direction, which counteracts temporary loads on the installation (for example in the form of gust compensation as "additional" CPC).

Ein bedeutender Vorteil des Verfahrens ist, dass die Blattlager und Aktoren deutlich weniger beansprucht werden als bei einer herkömmlichen IPC, die Belastungen aber dennoch gesenkt werden können. Daher können auch bereits bestehende WEA umgerüstet werden, die die Anforderungen für die herkömmliche IPC nicht erfüllen. Bei einer entsprechenden Umrüstung ist keine Installation einer Zusatzsensorik im Blatt erforderlich. Auch muss kein zusätzliches Steuergerät in die Anlage eingebracht werden. Eine optische Messvorrichtung mit Auswerteeinheit kann vielmehr Daten bezüglich einzustellender Zusatzwinkel an die Anlage senden, die dort nur noch von der Anlagensteuerung entgegengenommen und aufgeschaltet werden müssen. Hierbei werden keine sicherheits- oder betriebsrelevanten Daten erzeugt oder verändert, sondern lediglich zusätzlich lastsenkende Stellgrößen berechnet, die im Falle eines Ausfalls der optischen Messvorrichtung wegfallen oder ausgeblendet werden können. Ein konventioneller Betrieb – ohne die zusätzlichen lastsenkenden Stellgrößen – ist damit zu jedem Zeitpunkt gewährleistet.A significant advantage of the method is that the blade bearings and actuators are significantly less stressed than in a conventional IPC, but the loads can still be reduced. As a result, existing wind turbines that do not meet the requirements for conventional IPC can also be converted. With a corresponding conversion, no installation of additional sensors in the sheet is required. Also, no additional control device must be introduced into the system. On the contrary, an optical measuring device with evaluation unit can send data relating to additional angles to be set to the installation, which need only be accepted and connected by the system control unit there. In this case, no safety or operationally relevant data are generated or changed, but merely additional load-reducing manipulated variables are calculated, which can be omitted or hidden in the event of a failure of the optical measuring device. Conventional operation - without the additional load-reducing manipulated variables - is thus guaranteed at all times.

Die generellen Vorteile der Erfindung sind im Falle des CM eine präzisere Lebensdauerabschätzung, damit eine bessere Planbarkeit von Wartung und Reparatur, und folglich eine steigende Verfügbarkeit der Anlage. Eine Regelung mittels erfindungsgemäßer Maßnahmen führt zur vorteilhaften Möglichkeit einer weiteren Lastreduktion an Komponenten der Anlage und damit zu einer längeren Komponentenlebensdauer und zu geringeren Stromgestehungskosten.The general advantages of the invention in the case of the CM are a more accurate lifetime estimation, thus better predictability of maintenance and repair, and consequently an increasing availability of the plant. A control by means of measures according to the invention leads to the advantageous possibility of a further reduction in load on components of the system and thus to a longer component life and lower electricity production costs.

Die zuvor erläuterten Vorteile betreffen die erfindungsgemäßen Verfahren, die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und die entsprechende Anordnung in gleicher Weise.The advantages explained above relate to the methods according to the invention, the devices according to the invention and the corresponding arrangement in the same way.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. die Auswerteeinheit der Messvorrichtung, ist insbesondere programmtechnisch dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.An arithmetic unit according to the invention, for. As the evaluation of the measuring device is, in particular program technically configured to perform a method according to the invention. Also, the implementation of the invention in the form of software is advantageous because this allows very low cost, especially if an executing processing unit is still used for other tasks and therefore already exists. Suitable data carriers for the provision of the computer program are in particular floppy disks, hard disks, flash memories, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs and the like. a. m. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.).

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention will become apparent from the description and the accompanying drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination indicated, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Figurenbeschreibung figure description

1 zeigt eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 shows an arrangement according to an embodiment of the invention.

2 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 2 shows a method according to an embodiment of the invention.

In 1 ist eine Anordnung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.In 1 an arrangement according to a particularly preferred embodiment of the invention is shown schematically and in total with 100 designated.

Die Anordnung 100 umfasst eine WEA 10 und eine Messvorrichtung 20. Die WEA 10 umfasst einen Turm 11, eine drehbar auf dem Turm 11 gelagerte Gondel 12 und einen Rotor 13 mit einer Nabe 14 und einer beliebigen Anzahl von Rotorblättern 15.The order 100 includes a WEA 10 and a measuring device 20 , The WEA 10 includes a tower 11 , one rotatable on the tower 11 stored gondola 12 and a rotor 13 with a hub 14 and any number of rotor blades 15 ,

Herkömmliche WEA verfügen über mehrere Sensoren, die z. B. als Beschleunigungssensoren, Schallsensoren und/oder Dehnungsmessstreifen am Turm 11, an der Gondel 12, an der Rotorachse 13 und/oder an den Rotorblättern 15 vorgesehen sein können.Conventional wind turbines have several sensors, the z. B. as acceleration sensors, sound sensors and / or strain gauges on the tower 11 , at the gondola 12 , on the rotor axis 13 and / or on the rotor blades 15 can be provided.

Wie für den Fachmann unmittelbar verständlich, verfügt eine entsprechende WEA 10 über weitere Komponenten, insbesondere Teile des Triebstrangs, von dem vorliegend nur die Rotornabe 14 dargestellt ist. Entsprechende Komponenten können über weitere Sensoren verfügen, die beispielsweise im Getriebe einer entsprechenden Anlage angeordnet sein können.As is immediately understandable to the person skilled in the art, a corresponding WEC has 10 about other components, in particular parts of the drive train, of which in the present case only the rotor hub 14 is shown. Corresponding components may have additional sensors, which may be arranged for example in the transmission of a corresponding system.

Entsprechende Sensoren können, wie zuvor erläutert, bei erfindungsgemäßen Anordnungen weggelassen oder in ihrer Anzahl deutlich reduziert werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann, wie erläutert, vorgesehen sein, Sensorsignale entsprechender Sensoren durch eine optische Abtastung zu validieren bzw. zu kalibrieren.Corresponding sensors can, as explained above, omitted in inventive arrangements or significantly reduced in number. Alternatively and / or additionally, it may be provided, as explained, to validate or calibrate sensor signals of corresponding sensors by optical scanning.

Die Messvorrichtung 20 verfügt über wenigstens eine optische Abtasteinrichtung, z. B. einen Laserscanner 21. Wie zuvor erläutert, kann eine Vorrichtung 20 zur Überwachung mehrerer WEA 10 eingerichtet sein. In diesem Fall können mehrere WEA 10 mit einem oder mehreren Laserscannern überwacht werden. Der Laserscanner 21 tastet mittels eines Laserstrahls die WEA 10 und bzw. eine ihrer Komponenten 11–15 über einen Bereich 22 ab und erzeugt damit Messgrößen, die mechanische Verformungen wenigstens eines Teils der WEA 10 charakterisieren. Zusätzlich können an den Komponenten 11–15 der WEA bereitgestellte Reflektoren, Spiegel und/oder Referenzpunkte spezifisch abgetastet werden. Dies kann auch mit zusätzlichen Abtasteinrichtungen wie z. B. Infrarot- oder Lichtstrahlen erfolgen. Weitere Sensorik kann vorgesehen sein, z. B. Lidar- oder Infrarotsensoren zur Erfassung von Windbedingungen und/oder Lokalisierungssysteme zur exakten Positionierung.The measuring device 20 has at least one optical scanning device, for. B. a laser scanner 21 , As previously explained, a device 20 for monitoring several wind turbines 10 be furnished. In this case, multiple wind turbines can 10 be monitored with one or more laser scanners. The laser scanner 21 scans the wind turbine by means of a laser beam 10 and / or one of their components 11 - 15 over an area 22 and thus generates measured variables, the mechanical deformations of at least part of the WEC 10 characterize. Additionally, on the components 11 - 15 the wind turbine provided reflectors, mirrors and / or reference points are scanned specifically. This can also be done with additional scanning devices such. B. infrared or light rays. Additional sensors may be provided, for. B. Lidar- or infrared sensors for detecting wind conditions and / or localization systems for exact positioning.

Die Vorrichtung 20 verfügt über eine Auswerteeinrichtung 22, die eine Auswertung auf Grundlage der die mechanische Belastung der wenigstens eine WEA 10 charakterisierenden Größe vornimmt. Eine entsprechende Auswerteeinrichtung 22 kann zur Auswertung von Signalen, die mehrere WEA 10 und/oder mehrere Komponenten 11–15 wenigstens einer WEA betreffen, eingerichtet sein. Eine Bewertung erfolgt, wie zuvor erläutert, z. B. durch Ermittlung entsprechender Lastkollektive. Die Auswerteeinrichtung 22 kann auch zur Bereitstellung zusätzlicher Ansteuersignale ausgebildet sein, die in einer Regeleinrichtung einer WEA 10 auf Regelsignale aufgeschaltet und z. B. für die IPC verwendet werden können.The device 20 has an evaluation device 22 providing an evaluation based on the mechanical load of the at least one WEA 10 characterizing size makes. A corresponding evaluation device 22 can be used to evaluate signals that have multiple wind turbines 10 and / or multiple components 11 - 15 at least one WEA, be set up. An evaluation is made, as explained above, z. B. by determining corresponding load collectives. The evaluation device 22 can also be designed to provide additional drive signals in a control device of a WT 10 switched to control signals and z. B. can be used for the IPC.

Eine Übertragungseinrichtung 23 kann vorgesehen sein, mittels derer eine Übertragung entsprechend ausgewerteter Daten, bestimmten Anteilen hiervon, der Gesamtheit der Rohdaten und/oder von Zwischenwerten der Auswertung an eine übergeordnete Einheit 30 und/oder an eine WEA 10 bzw. eine entsprechende Regeleinrichtung möglich ist.A transmission device 23 can be provided by means of which a transfer of correspondingly evaluated data, certain portions thereof, the entirety of the raw data and / or intermediate values of the evaluation to a higher-level unit 30 and / or to a WEA 10 or a corresponding control device is possible.

Die übergeordnete Einheit 30 kann z. B. als Überwachungszentrale, die durch einen externen Dienstleister betrieben wird, und/oder als Leitwarte eines Windparks, auch entfernt von der Position der Anlage selbst, eingerichtet sein.The parent unit 30 can z. B. as a monitoring center, which is operated by an external service provider, and / or as a control room of a wind farm, also remote from the position of the plant itself, be set up.

2 zeigt ein Verfahren gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Form eines Ablaufplans 200 in schematischer Darstellung. 2 shows a method according to a particularly preferred embodiment of the invention in the form of a flowchart 200 in a schematic representation.

In einem ersten Verfahrensschritt 210 werden durch eine Messvorrichtung, beispielsweise die Messvorrichtung 20 der 1, durch optische Abtastung zumindest eines Teils einer WEA 10 Messgrößen erfasst, die eine mechanische Verformung charakterisieren.In a first process step 210 be through a measuring device, such as the measuring device 20 of the 1 by optically scanning at least a portion of a WEA 10 Measured quantities recorded that characterize a mechanical deformation.

In einem zweiten Verfahrensschritt 220 werden aus entsprechenden Messgrößen, z. B. mittels Finiter-Elemente-Methode, wie zuvor erläutert, Spannungen und/oder zeitliche Spannungsverläufe ermittelt. Wie durch Pfeil 225 verdeutlicht, kann die Bestimmung 210 entsprechender Messgrößen und die hierauf beruhende Ermittlung 220 von Spannungen zyklisch über einen vorbestimmten Zeitabschnitt erfolgen, so dass in Schritt 220 entsprechende Spannungsverläufe über eine vorbestimmte Zeit, z. B. unter Verwendung aufgezeichneter, akkumulierter und/oder gemittelter Messgrößen ermittelt werden können.In a second process step 220 become from appropriate measured variables, z. B. by means of finite element method, as explained above, determined voltages and / or temporal voltage waveforms. As by arrow 225 clarified, the provision may 210 corresponding measured variables and the determination based thereon 220 of voltages cyclically over a predetermined period of time, so that in step 220 corresponding voltage curves over a predetermined time, for. B. can be determined using recorded, accumulated and / or averaged measured quantities.

In einem weiteren Schritt 230 werden aus den in Schritt 220 ermittelten Spannungen oder Spannungsverläufen jeweils geeignete Lastkollektive bestimmt. Auch hierbei kann das Verfahren zyklisch arbeiten, wie über Pfeil 235 angedeutet. In a further step 230 will be out of step in 220 determined voltages or voltage curves respectively determined suitable load groups. Again, the process can work cyclically, as via arrow 235 indicated.

In einem Schritt 240 wird eine Prognose bezüglich einer Restlebensdauer oder bezüglich einer durchzuführenden Wartung getroffen. Wie oben kann das Verfahren, wie durch Pfeil 245 veranschaulicht, zyklisch weiter laufen. Die entsprechend ermittelten Prognosen werden, beispielsweise mittels einer Übertragungseinrichtung 23 einer Messvorrichtung 20, an eine übergeordnete Einheit 30 weitergegeben, wie durch Pfeil 250 veranschaulicht.In one step 240 a prognosis is made regarding a remaining service life or a service to be performed. As above, the procedure as indicated by arrow 245 illustrated, continue to run cyclically. The corresponding forecasts are determined, for example by means of a transmission device 23 a measuring device 20 , to a parent unit 30 passed on, as by arrow 250 illustrated.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007011835 A1 [0006]
US 200810069693 A1 [0006]
DE 60311271 T2 [0006]

Claims

Procedure ( 200 ) for monitoring and / or operating at least one wind turbine ( 10 ), in which measured variables, the mechanical deformations and / or changes of the surface on the at least one wind turbine ( 10 ), by means of a measuring device ( 20 ) and by means of an evaluation device ( 22 ), characterized in that the measured variables are obtained by optical scanning of at least one area of the at least one wind energy plant ( 10 ), and in that the evaluation device ( 22 ) from the measured quantities a mechanical load of the at least one wind turbine ( 10 ) and / or based on the measured variables control variables to a control device ( 10 ) providing at least one wind turbine.

Procedure ( 200 ) according to claim 1, wherein the measured quantities are determined as dynamic measured quantities over at least one predetermined period of time.

Procedure ( 200 ) according to claim 1 or 2, in which further measured variables are detected by means of sensors, wherein the measured variables determined by the optical scanning are used for the validation and / or calibration of the further measured variables and / or provided to the control device.

Procedure ( 200 ) according to one of the preceding claims, wherein from the measured quantities for determining the mechanical load mechanical stresses in at least one component ( 11 - 15 ) of the at least one wind turbine ( 10 ) be determined.

Procedure ( 200 ) according to claim 4, wherein from the mechanical stresses a load collective with respect to the at least one component ( 11 - 15 ) of the at least one wind turbine ( 10 ) is determined.

Procedure ( 200 ) according to claim 5, wherein, based on the at least one load collective, a remaining service life of the at least one component ( 11 - 15 ) of the at least one wind turbine ( 10 ) is predicted.

Procedure ( 200 ) according to one of the preceding claims, in which measured quantities which at least mechanical deformations of at least one rotor blade ( 15 ) and / or a tower ( 11 ) of the at least one wind turbine ( 10 ), and the controller makes a pitch adjustment based on the measurands.

Contraption ( 20 ) for monitoring and / or operating at least one wind turbine ( 10 ), which are used to determine measured variables, the mechanical deformations and / or changes in the surface on the at least one wind turbine ( 10 ), is set up and one in the device ( 20 ) integrated evaluation device ( 22 ), which is set up for the evaluation of the measured variables, characterized by at least one optical scanning device ( 21 ) for scanning at least one area of the at least one wind turbine ( 10 ), and in that the evaluation device ( 22 ) for determining a mechanical load of the at least one wind turbine ( 10 ) from the measured variables and / or for providing the measured variables as control variables to a control device of the at least one wind energy plant ( 10 ) is set up.

Contraption ( 20 ) according to claim 8, which comprises at least one transmission device ( 23 ) for transmission by the evaluation device ( 22 ) evaluated to at least one higher-level monitoring device ( 30 ) and / or the at least one wind turbine ( 10 ) having.

Arrangement ( 100 ) with at least one wind turbine ( 10 ) and a device for monitoring and / or operation of the at least one wind turbine ( 20 ) according to one of claims 8 or 9.