DE102011119942A1

DE102011119942A1 - Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage und zur Ausübung des Verfahrens befähigte Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102011119942A1
Application number: DE102011119942A
Authority: DE
Inventors: Norbert Bülow; Christoph Kaiser
Original assignee: Powerwind GmbH
Current assignee: POWERWIND LTD., IN
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer einen Rotor aufweisenden Windenergieanlage, bei dem unter fortlaufender Messung des den Rotor umströmenden Windes ein Windsignal erzeugt wird, und bei dem wenigstens ein Betriebsparameter der Anlage windabhängig eingestellt wird, wobei das Windsignal fortlaufend überwacht wird, um die Einstellung des wenigstens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit festgestellter Windänderungen ändern zu können, wobei man bei der Überwachung zunächst gemäß einem ersten Kriterium eine Tendenz zu einer Windänderung ermittelt, das Windsignal unter Berücksichtigung seines Verlaufs gemäß einem zweiten Kriterium auf eine der ermittelten Tendenz gegenläufige Tendenz überprüft und die Einstellung des wenigstens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit dieser Überprüfung ändert sowie eine zur Durchführung des Verfahrens gesteuerte Windenergieanlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer einen Rotor aufweisenden Windenergieanlage, bei dem unter fortlaufender Messung des den Rotor umströmenden Windes ein Windsignal erzeugt wird, und bei dem wenigstens ein Betriebsparameter der Anlage windabhängig eingestellt wird, wobei das Windsignal fortlaufend überwacht wird, um die Einstellung des wenigstens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit festgestellter Windänderungen ändern zu können.
Derartige Verfahren sind bekannt. So wird als Beispiel für einen solchen Betriebsparameter die Rotorachse oder anders ausgedrückt die Gondelposition der den Rotor tragenden Gondel der Ist-Windrichtung möglichst genau nachgeführt. Dazu wird üblicherweise eine an der Gondel angeordnete Windfahne zur Messung der Windrichtung herangezogen, und ein aus den Messwerten z. B. durch Mittelwertbildung erzeugtes Windrichtungssignal beobachtet. Stellt man beispielsweise fest, dass das so gebildete Windrichtungssignal für eine vorgegebene Zeitdauer, typischerweise im Bereich von 10 bis 30 Sekunden, bezüglich der der Ist-Gondelposition zugrundeliegenden Referenzrichtung um mehr als einen vorgegebenen Abstand, beispielsweise 10°, abweicht, wird eine Gondeldrehung eingeleitet, um die Gondelposition auf den neuen Mittelwert einzustellen und somit die Gondel/die Rotorachse dem Wind nachzuführen.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese herkömmliche Art der Überwachung des Windsignals und der Änderung der Einstellung des Betriebsparameters hinsichtlich der Abgabe von Wirkleistung in das an die Windenergieanlage angeschlossene Netz nicht vollständig zufriedenstellend ist und insbesondere auch ein Verschleiß mechanischer Bauteile der Windenergieanlage zu beobachten ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die eingangs genannten Probleme jedenfalls vermindert werden.
In verfahrenstechnischer Hinsicht wird dies durch eine Weiterbildung des Verfahrens wie eingangs genannt bereitgestellt, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass man bei der Überwachung zunächst gemäß einem ersten Kriterium eine Tendenz zu einer Windänderung ermittelt, das Windsignal unter Berücksichtigung seines Verlaufs gemäß einem zweiten Kriterium auf eine der ermittelten Tendenz gegenläufige Tendenz überprüft und die Einstellung des wenigstens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit dieser Überprüfung ändert.
Dabei beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass in zahlreichen Fällen auf eine Änderung der Einstellung des Betriebsparameters nach bereits kurzer Zeit eine erneute Änderung der Einstellung des Betriebsparameters in Gegenrichtung vorzunehmen ist. Die auf diese Weise bedingten häufigen und z. T. unnötigen Änderungen wirken sich negativ auf die Effizienz der Anlage und deren Verschleiß aus. Im Weiteren ist erkannt worden, dass die häufigen Änderungen der Parametereinstellung darauf zurückzuführen sind, dass die Entscheidung für eine vorzunehmende Änderung auf Grundlagen getroffen wird, welche auf der Vergangenheit basieren und ggf. zum Entscheidungszeitpunkt bereits nicht mehr voll zutreffen.
Bei der erfindungsgemäßen Überprüfung des Windsignals unter Berücksichtigung seines Verlaufes auf eine der ermittelten Tendenz gegenläufige Tendenz werden solche Situationen zumindest teilweise erkannt, so dass eine Änderung der Parametereinstellung enger an dem aktuell herrschenden Wind erfolgt und dadurch unnötige Änderungen wenigstens z. T. vermieden werden können.
Der Ausdruck ”unter Berücksichtigung des Verlaufs des Windsignals” ist so zu verstehen, dass wenigstens eine Information über die relative Lage zweier Werte des Windsignals zueinander in die Berücksichtigung einfließt, d. h. die Berücksichtigung geht über einen bloßen Vergleich einzelner Werte des Windsignals mit einer vorgegebenen Schwelle oder auch der Bildung eines Mittelwertes aus mehreren solcher Werte des Windsignals und dessen Vergleich mit einer vorgegebenen Schwelle hinaus, aus welchen sich im Umkehrschluss gesehen noch keine Informationen über den Verlauf des Signals ableiten lassen.
In einer besonders bevorzugten Verfahrensgestaltung beinhaltet die Berücksichtigung des Signalverlaufs eine Extremwertabfrage, und das zweite Kriterium setzt insbesondere das Vorliegen eines Extremwerts in Richtung der ermittelten Tendenz voraus. Ein Extremwert in Richtung einer Tendenz bedeutet hier ein Maximum, wenn die Tendenz gegenüber einem Referenzwert steigend ist, und ein Minimum, wenn die Tendenz gegenüber einem Referenzwert fallend ist.
Das Vorliegen eines solchen Extremwerts allein rechtfertigt aber oftmals noch nicht die Feststellung einer gegenläufigen Tendenz. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist daher eine Klassifizierung eines festgestellten Extremwerts als relevanter Extremwert zusätzlich gefordert. Dabei wird ein Extremwert des Windsignals als das zweite Kriterium erfüllender Extremwert klassifiziert, wenn die nachfolgenden Werte des Windsignals einen vorgegebenen Abstand zu diesem Wert überschreiten. Es wird somit beispielsweise ein Maximum im Windsignal fortlaufend aktualisiert und als größter lokaler Wert gespeichert, wenn die ermittelte Tendenz ein steigendes Signal anzeigt, aber dieses Maximum gilt als relevantes Maximum nur dann, wenn das Windsignal im weiteren Verlauf unter eine Schwelle fällt, welche um den vorgegebenen Abstand niedriger ist als das aktuell gespeicherte Maximum. Das Erkennen des relevanten Extremwertes erfolgt somit zeitverzögert.
Die Überprüfung kann innerhalb eines Feststellungszeitraums vorgenommen werden. Wird innerhalb des Feststellungszeitraums bei der Überprüfung eine gegenläufige Tendenz festgestellt, ändert man die Einstellung des Betriebsparameters nicht, da dann zu erwarten ist, dass ”der Wind zurückkehrt” und die Änderung mit einer überwiegenden Wahrscheinlichkeit ohnehin wieder rückgängig gemacht werden müsste.
Es ist denkbar, dass innerhalb des Feststellungszeitraums ein Extremwert in Richtung der ermittelten Tendenz erkannt wurde, dieses aber noch nicht als relevantes Maximum klassifiziert wurde. Beispielsweise hat sich das Windsignal bereits der durch den oben erläuterten vorgegebenen Abstand bestimmten Schwelle angenähert, diese aber noch nicht erreicht oder durchschritten. Nach einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens würde man die Änderung der Parametereinstellung dann vornehmen. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform verlängert man jedoch in solchen Fällen den Feststellungszeitraum. Dabei kann auch vorgesehen werden, dass eine maximale Verlängerung des Feststellungszeitraums eingeführt wird, innerhalb der die Überprüfung jedenfalls abzuschließen ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei Nichterfüllung des zweiten Kriteriums, wenn also am Ende des Feststellungszeitraums keine gegenläufige Tendenz festgestellt wurde, die Änderung der Parametereinstellung nicht automatisch vollzogen. Vielmehr kann letztere von weiteren Kriterien abhängig gemacht werden. Beispielsweise wird ein ausreichend abweichender Mittelwert des Windsignals im Feststellungszeitraum als weiteres Kriterium berücksichtigt.
Die Art der Änderung der Parametereinstellung wird von der Natur des Parameters abhängen. Kann der Parameter beispielsweise nur zwei diskrete Werte annehmen, bedeutet Änderung den Übergang vom einen Wert zum anderen und vice versa.
Im Falle eines kontinuierlich einstellbaren Parameters wird die Änderung nunmehr durch Einleitung der entsprechenden Steuervorgänge der Anlage eingeleitet. Der Zielwert, auf den der Parameter durch die Änderung neu eingestellt werden soll, kann hierbei fest oder dynamisch vorgegeben werden. Beispielsweise hängt die optimale neue Einstellung nach einer gegebenen Vorschrift von dem als gegeben angesehenen Wert des Windsignals ab, und der Stellvorgang für die Änderung wird so lange fortgesetzt, bis der optimale Wert nach dieser Vorschrift erreicht wird, wenn für diesen Wert der fortlaufend ermittelte Mittelwert des Windsignals eingesetzt wird. Dann wird der Nachstellvorgang gestoppt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer Änderung der Parametereinstellung im Falle eines kontinuierlich einstellbaren Parameters der neu einzustellende Wert in Abhängigkeit des weiter beobachteten Windsignalverlaufs bestimmt. Das bedeutet, dass die oben erläuterte Extremwertabfrage und Klassifizierung nach relevanten Extremwerten fortlaufend durchgeführt werden kann, und bei (nicht innerhalb des Feststellungszeitraums, aber erst später) erkannter gegenläufiger Tendenz der neue Zielwert abgeändert wird und somit der Nachstellvorgang frühzeitig abgebrochen wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gilt das erste Kriterium als erfüllt und beginnt insbesondere der Feststellungszeitraum der Überprüfung, wenn ein Wert des Windsignals einen der Ist-Einstellung des Parameters entsprechenden Referenzwert um eine vorgegebene erste Schwelle überschreitet. Wird beispielsweise die Windrichtung beobachtet, wird diese erste Schwelle für beide möglichen Winddrehrichtungen um den Referenzwert gelegt. Definiert man beispielsweise die Gegenuhrzeigerrichtung als positive Richtung, und wird die erste Schwelle in dieser Richtung überschritten, wird eine Windrichtungsänderung steigender Tendenz ermittelt und der Beginn des Feststellungszeitraums der Überprüfung getriggert.
Aus Sicherheitsgründen ist das Verfahren zusätzlich dazu ausgelegt, auf sehr rasche heftige Windänderungen in einer Weise reagieren zu können, dass keine die Funktionssicherheit der Anlage beeinträchtigende Fehleinstellung des Parameters bis zum Ende eines Feststellungszeitraums beibehalten wird, beispielsweise um Fehler durch andauernde extreme Schräganströmung des Rotors zu vermeiden. Wenn also das Windsignal einen der Ist-Einstellung des Parameters entsprechenden Referenzwert um eine vorgegebene zweite Schwelle (Sicherheitsschwelle) überschreitet, wird die Änderung der Parametereinstellung vorgenommen. Damit wird auch der Feststellungszeitraum der Überprüfung beendet.
Grundsätzlich könnte man für die oben erläuterten Verfahrensschritte die Ermittlung einer Tendenz und der Überprüfung auf eine gegenläufige Tendenz die beispielsweise im Abstand von 40 Millisekunden gemessenen Rohmesswerte heranziehen. Bevorzugt werden die Rohmesswerte jedoch durch Glättung mittels Filtern, durch Mittelwertbildung oder ähnliche Glättungsverfahren geglättet, um das Windsignal zu erzeugen.
In einer besonders bevorzugten Variante fließt bei der Glättung in die Bestimmung eines k-ten Werts des Windsignals neben dem k-ten Messwert nur Werte des Windsignals bis zum fünften vorangegangenen, vorzugsweise nur bis zum dritten vorangegangenen Wert ein. Besonders bevorzugt fließt nur der (k – 1)te Wert des Windsignals ein. Das unter einer solchen Glättung erzeugte Windsignal spiegelt die aktuellen Windverhältnisse besonders gut wieder.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung betrifft somit auch dieses Glättungsverfahren für sich alleine, um Rohmesswerte zu glätten, unabhängig von der Art der Überwachung des damit geglätteten Windsignals. Das heißt, die Erfindung offenbart auch eigenständig ein Verfahren zum Betreiben einer einen Rotor aufweisenden Windenergieanlage, bei dem unter fortlaufender Messung des den Rotor umströmenden Windes ein Windsignal erzeugt wird, und bei dem wenigstens ein Betriebsparameter der Anlage windabhängig eingestellt wird, wobei das Windsignal fortlaufend überwacht wird, um die Einstellung des wenigstens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit festgestellter Windänderungen ändern zu können, bei dem bei der Erzeugung des Windsignals die bei der Messung erhaltenen Messwerte geglättet werden, indem in die Bestimmung eines k-ten Werts des Windsignals neben dem k-ten Messwert nur Werte des Windsignals bis zum fünften vorangegangenen, vorzugsweise nur bis zum dritten vorangegangenen Wert einfließen, insbesondere nur der (k – 1)te Wert des Windsignals einfließt.
Je nach Art des einzustellenden Parameters kann das Windsignal die Windrichtung, die Windgeschwindigkeit oder diese beiden Windgrößen abbilden. Die zur Messung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung verwendbaren Messeinrichtungen (Windfahne/Ultraschallmessung) sind bekannt und werden an dieser Stelle nicht weiter erläutert. Die bei der Messung erhaltenen Werte werden (insbesondere nach Glättung) das Windsignal bilden. Für den Fall, dass beide Windgrößen gemessen und aufgezeichnet werden, kann sich das Windsignal als zweikomponentiges Signal bilden, je nach Art der Darstellung lassen sich auch getrennt ein Windrichtungssignal und ein Windgeschwindigkeitssignal bilden.
Insbesondere wenn es um das Windrichtungssignal oder die entsprechende Komponente des Windsignals geht, kann für dessen Bildung und Überwachung die Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden, beispielsweise in Form einer Ist-Windgeschwindigkeit des Windgeschwindigkeitssignals oder eines Mittelwerts dieses Windgeschwindigkeitssignals über einen vorgegebenen Zeitraum. Insbesondere können die Glättung der gemessenen Werte der Windrichtung, das erste Kriterium, das zweite Kriterium, die Dauer des Feststellungszeitraums, die erste Schwelle und/oder die zweite Schwelle von der Windgeschwindigkeit abhängig gewählt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst der wenigstens eine Betriebsparameter die Orientierung der Rotorachse. Dies ist gleichbedeutend mit der Gondelposition der den Rotor tragenden Gondel der Windenergieanlage, die dem Wind nachzufahren ist, um eine optimale Windausbeute zu erhalten. Das Nachführen der Gondel wird dadurch erfindungsgemäß besser auf die tatsächlichen Windverhältnisse eingestellt und insbesodere unnötiges Nachfahren der Gondel vermieden.
Alternativ und/oder zusätzlich kann der wenigstens eine Betriebsparameter die Anstellung der Rotorblätter des Rotors umfassen. Die Anstellung der Rotorblätter wird über die sogenannte Pitch-Regelung üblicherweise drehzalabhängig geführt, um die Anlage immer auf einer vorgegebenen Nenndrehzahl zu halten. Üblicherweise erfolgt die Anstellung der Rotorblätter des Rotors also derart, dass Windänderungen indirekt über Drehzahländerungen festgestellt werden, wodurch sich eine Trägheit gegenüber den aktuellen Windverhältnissen einstellt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Steuerung zur Anstellung der Rotorblätter des Rotors unter Verwendung eines Windsignals unabhängig von der Art dessen Überwachung offenbart. Die Erfindung offenbart somit auch ein Verfahren zum Betreiben einer einen Rotor aufweisenden Windenergieanlage, bei dem unter fortlaufender Messung des den Rotor umströmenden Windes ein Windsignal erzeugt wird, und bei dem eine Steuerung der Anstellung der Rotorblätter des Rotors in Abhängigkeit des erzeugten Windsignals vorgenommen wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Betriebsparameter einen diskreten Betriebszustand der Anlage bestimmenden Parameter umfassen. Die Änderung dieses Parameters kann dabei insbesondere den Übergang zwischen Zuschalten der Windenergieanlage oder Abschalten der Windenergieanlage bei zu geringen und/oder zu starken Windgeschwindigkeiten darstellen.
Das oben erläuterte Verfahren in seinen verschiedenen Varianten wird auch in Form eines Steuerprogramms für eine Windenergieanlage in Form eines Computerprogrammprodukts unter Schutz gestellt, welches, wenn auf einer Steuereinrichtung der Windenergieanlage ausgeführt, die Windenergieanlage zur Durchführung eines Verfahrens mit einem oder mehrerer der obigen Ausgestaltungen veranlasst.
In diesem Zusammenhang wird ebenfalls ein computerlesbares Speichermedium unter Schutz gestellt, auf dem ein solches Steuerprogramm abgespeichert ist.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die Erfindung durch eine Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Messanordnung zur Messung von Richtung und/oder Geschwindigkeit des den Rotor umströmenden Windes sowie einer Steuereinrichtung gelöst, bei der die Steuereinrichtung auf ein solches Steuerprogramm zugreifen kann und welche zur Steuerung der Windenergieanlage mit Steueranweisungen gemäß einem Verfahren mit einem oder mehreren der oben erläuterten Verfahrensaspekte befähigt ist.
Die Vorteile einer solchen Windenergieanlage ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen des Verfahrens.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigelegten Figuren, von denen
1 schematisch ein Glättungsverfahren von Rohmesswerten darstellt,
2 anhand einer zeitlichen Darstellung eines Windsignals dessen Überwachung veranschaulicht,
3 anhand einer zeitlichen Darstellung eines Windsignals dessen Überwachung veranschaulicht,
4 ein Ausschnitt aus einem die Überwachung beschreibenden Flussdiagramm darstellt,
5 anhand einer zeitlichen Darstellung eines Windsignals dessen Überwachung veranschaulicht,
6 ein weiterer Ausschnitt eines Flussdiagramms der Überwachung ist,
7 ein weiterer Ausschnitt des Flussdiagramms der Überwachung ist, und
8 ein nochmals weiterer Ausschnitt des Flussdiagramms der Überwachung ist.
In 1 ist schematisch die Erzeugung eines Windsignals w aus einer Folge m von Messwerten beispielsweise der Windrichtung dem Prinzip nach dargestellt. Die einzelnen Messwerte m_k werden von einer beispielsweise eine Windfahne oder eine Ultraschallsensorik aufweisenden Messeinrichtung zur Windrichtungsmessung in Abständen δ_t von hier beispielsweise 40 ms bereitgestellt. Diese Rohdaten weisen starke Schwankungen auf der Skala von 6 auf und werden bevorzugt nach dem folgenden Verfahren zu dem Windsignal w geglättet. Nach einer Initiierung, bei der der Wert w₀ beispielsweise auf den Wert m₀ gesetzt wird, ergibt sich ein Wert w_k des geglätteten Windsignals w über die Beziehung w_k = f(w_k-1, m_k) (1) mit einer Glättungsfunktion f, deren Form im einfachsten Fall die Gestalt f(x, y) = x + c (y – x) (2) annimmt, wobei c im einfachsten Fall ein Parameter ist, der klein gegenüber der 1 ist, beispielsweise im Bereich 0,001 bis 0,3 liegt. In Erweiterungen kann der Parameter c auch von der Ist-Windgeschwindigkeit abhängen und insbesondere für steigende Windgeschwindigkeiten sinken. Es ist auch eine Vereinfachung derart denkbar, dass die Funktion f zweigeteilt ist und die Formel (2) nur für |y – x| > s mit einer vorgegebenen Schwelle s verwendet wird, während für |y – x| < s der Parameter c auf 1 gesetzt wird.
Aus der Darstellung von 1 ist erkennbar, dass das Windsignal w gegenüber dem Mess-Signal m geglättet ist. Durch die oben erläuterte Glättungsfunktion wird erreicht, dass das Windsignal w den zeitlichen Verlauf der Messwerte m bezüglich Hebungen und Senkungen deutlicher widerspiegelt als herkömmlich für Windenergieanlagen eingesetzte Glättungsfilter, beispielsweise in Form einer Mittelwertbildung über eine Anzahl Rohmesswerte mk_k, ..., m_k-N.
Eine Glättung der aus einer Windgeschwindigkeitsmessung erhaltenen Messwerte kann in analoger Weise durchgeführt werden. In diesem Fall kann es besonders zweckmäßig sein, den Parameter c von der mittleren Windgeschwindigkeit beispielsweise der vergangenen 30 Sekunden abhängig zu wählen.
Nunmehr wird anhand von 2 schematisch dargestellt, wie der Verlauf des Windsignals w fortlaufend auf eine als relevant erachtete sinkende oder steigende Tendenz überwacht wird. Gemäß dem in 2 abgebildeten beispielhaften Kurvenverlauf eines Windsignals w steigt dieses zunächst an. Es wird auf das Vorliegen eines Maximums überprüft, indem aus dem Signal fortlaufend der aktuell höchste Wert abgespeichert wird. Zur Zeit t₁ wird ein solches Maximum mit Wert w₁ aufgefunden. Dieses Maximum wird jedoch zunächst noch nicht als ein relevantes Maximum, welches eine Tendenz zu fallenden Signalwerten anzeigt, betrachtet. Um als ein solches relevantes Maximum verbucht zu werden, müsste der Kurvenverlauf anschließend auf einen Wert abfallen, der um eine Schwelle Δ_w unterhalb von w₁ liegt.
In dem dargestellten Beispiel verläuft das Windsignal w jedoch nach kurzem Abfall wieder steigend, und bei t₂ wird ein Maximum auf Höhe w₂ > w₁ aufgefunden und der Speichereintrag entsprechend aktualisiert. Bei t₃ unterschreitet das Windsignal w den Wert w₂ – Δ_w, so dass der Signalwert zur Zeit t₂, w₂, als relevantes, die Umkehrung eines Trends anzeigendes Maximum vermerkt wird. Diese Trend- und Extremwertanalyse schaltet nun um auf die Minimumsuche zur Bestimmung des nächsten relevanten Minimums im Windsignal w, welches nach dessen Auffinden ein Ende der nach zum Zeitpunkt t₂ beginnenden fallenden Tendenz des Windsignals w festlegt.
In 2 soll das Windsignal w wieder die Windrichtung anzeigen. Hier könnte der Parameter Δ_w konstant sein, aber auch von der Ist-Windgeschwindigkeit oder einer aktuellen gemittelten Windgeschwindigkeit abhängen, beispielsweise in Form einer Stufenfunktion.
Anhand von 3 wird nun erläutert, wie die anhand von 2 dargestellte Extremwert- und Trendanalyse bei der Steuerung der Windenergieanlage hinsichtlich der Einstellung eines Betriebsparameters herangezogen wird. Als Betriebsparameter wird die Orientierung der Rotorachse, welche der Windrichtung nachzuführen ist, beispielhaft herangezogen, und das Windsignal w stellt wiederum das Windrichtungssignal dar, welches den geglätteten Messwerten der Windrichtung entspricht. Die Zeitachse in 3 ist so gelegt, dass sie eine Referenzlinie der Ist-Orientierung der Rotorachse bildet. Das Windsignal w gibt dann den Unterschied der Ist-Windrichtung (soweit nach Glättung ermittelt) zu der Windrichtung wieder, auf welche die Rotorachse beim letzten Nachfahren der Gondel eingestellt wurde.
Der in 3 gezeigte Kurvenverlauf selbst ist dabei derselbe, der bereits in 2 dargestellt ist.
Nach dem zuletzt vorgenommenen Verfahren der Gondel wird das Windsignal w beobachtet und mit einem Schwellenwert Δ₀ verglichen (dies erfordert zunächst keine Berücksichtigung des Signalverlaufes, da hierzu lediglich jeder einzelne Wert des Windsignals w für sich mit der absoluten Schwelle Δ₀ verglichen wird; diese Feststellung kann bejaht oder verneint werden, unabhängig von der Beziehung der einzelnen Werte w_i untereinander). Die Schwelle Δ₀ ist so gewählt, dass ein weiteres Nachfahren der Gondel um den Winkel Δ₀ als Iohnenswert erscheint, nimmt man an, der Mittelwert der gemessenen Windrichtung würde sich um diesen Wert einpendeln.
Zum Zeitpunkt t_S wird die Schwelle Δ₀ durchbrochen. Nach diesem Durchbrechen wird ein Zeitintervall Δ_t getriggert, welches beispielsweise in dem Intervall von 15 bis 45 Sekunden, bevorzugt zwischen 20 und 30 Sekunden ausgewählt ist und als Feststellungszeitraum dient, um nach jedenfalls einem weiteren Kriterium (zweites Kriterium) zu überprüfen, ob ein Nachfahren der Gondel veranlasst werden soll.
Für das in 3 dargestellte Beispiel endet der Feststellungszeitraum zur Zeit t_S + Δ_t, welcher später ist als der Zeitwert t₃, zu dem gemäß der obigen Beschreibung zu 2 eine fallende Tendenz des Windsignals w festgestellt wurde. Diese fallende Tendenz ist eine gegenläufige Tendenz zu der durch Überschreitung der Schwelle Δ₀ ermittelten Tendenz zu einer Windrichtungsänderung in positiver Y-Achsenrichtung.
Durch das Erkennen der gegenläufigen Tendenz wird in diesem Ausführungsbeispiel keine Gondeldrehung veranlasst, da aufgrund der Berücksichtigung des Verlaufs des Windsignals w zu erwarten ist, dass sich die Ist-Windrichtung wieder dem Wert annähert, auf den die Ist-Rotorachse ohnehin eingestellt ist.
In dem in 4 schematisch dargestellten Steuerschema spiegelt sich die anhand von 3 erläuterte Situation derart wieder, dass ausgehend von einem Startpunkt S10, in welchem abgewartet und das Windsignal w beobachtet wird, in einem Schritt S20 überprüft wird, ob das hier eine Abweichung von dem der Ist-Einstellung des Parameters entsprechenden Referenzwert darstellende Signal w größer als die Abweichungsgrenze Δ₀ ist. Solange dies nicht der Fall ist, wird der Beobachtungs- und Abwartezustand S10 nicht verlassen.
Stellt man dagegen eine solche Überschreitung fest, wird das Feststellungsintervall getriggert und der Überprüfungszustand ausgelöst. Während dieses Feststellungsintervalls wird auf die parallel ablaufende Extremwert- und Trendanalyse zurückgegriffen (S30), und im Falle eines erkannten Extremwerts in Abweichungsrichtung die Überprüfungsphase beendet. In dem in 3 gezeigten Beispiel könnte man, da der Wert w3 noch oberhalb der Schwelle Δ₀ liegt, sofort ein weiteres Feststellungsintervall triggern.
An dem in 3 gezeigten angenommenen Verlauf des Windsignals w ist deutlich zu erkennen, dass nach der erfindungsgemäßen Lehre ein Nachfahren der Gondel nicht veranlasst wurde, obwohl nicht nur der über ein Zeitintervall Δ_t (zwischen t_S + Δ_t und t_S) gebildete Mittelwert <w> des Windsignals deutlich über der Schwelle Δ₀ liegt, sondern auch jeder einzelne Wert w_k des Windsignals w in diesem Intervall über der Schwelle Δ₀ liegt, wonach bei herkömmlichen Steuerverfahren ein Stellsignal zum Nachfahren der Gondel ausgelöst würde.
In 5 ist zu Zwecken der einfachen Erläuterung der gleiche Signalverlauf wie in den 2 und 3 nochmals wiedergegeben. Es wird hier jedoch angenommen, dass das Ende des Feststellungszeitraums Δ_t bereits vor t₃ endet. Die Extremwert- und Trendanalyse stellt dann am Ende des regulären Feststellungszeitraums fest, dass zwar ein (mathematisches) Maximum in Abweichungsrichtung vorliegt, welches aber noch nicht als relevantes trendumkehrendes Maximum bestätigt ist.
Der Wert des Windsignals zum Zeitpunkt t_S + Δ_t wird dann mit dem Wert w₂ verglichen und bei einer Abweichung, die größer ist als eine weitere vorgegebene Schwelle Δ₂ wird auf ein Anzeichen für einen rückläufigen Windrichtungstrend entschieden. Als Folge dieser Entscheidung wird der Feststellungszeitraum verlängert, beispielsweise prozentual um zwischen 5 und 20%, oder um ein vorgegebenes Intervall zwischen einer halben und drei Sekunden, beispielsweise um eine Sekunde.
Diese Steueranweisungen sind schematisch im Ablaufdiagramm von 5 nochmals dargestellt. Darin zeigt S50 die Abfrage, ob das Ende des Feststellungszeitraums erreicht ist, und S70 die Abfrage auf ein Anzeichen für einen rückläufigen Trend des Windsignals w. Wird kein solches Anzeichen detektiert, hindert der Entscheidungsschritt S70 ein Nachfahren der Gondel (S100) nicht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist, wie in 7 gezeigt, zwischen die Schritte S50 und S70 noch eine weitere Abfrage S60 eingekoppelt, in welcher auf die Erfüllung einer oder mehrerer Subkriterien abgefragt wird und nur bei Erfüllung der Kriterien auf Schritt S70 des Steuerablaufs weitergeschaltet wird. Ein solches Subkriterium 60a könnte beispielsweise sein, dass der Mittelwert <w> des Windsignals größer als die Abweichungsschwelle Δ₀ sein muss.
Ein weiteres Subkriterium 60b könnte sein, dass die in dem Feststellungszeitraum bei der Extremwert- und Trendanalyse optional zusätzlich festgestellte Anzahl der (mathematischen, nicht als relevant erkannten) Extremwerte unter einer vorgegebenen Mindestgrenze liegt. Dies ließe sich als Zeichen eines unruhigen Windverlauf deuten, insbesondere bei großen relativen Unterschieden in den Höhen der einzelnen Extremwerte, so dass auch hier ggf. noch abgewartet wird und eine Änderung der Parametereinstellung noch nicht vorgenommen wird.
Die Subkriterien 60a und 60b können kumulativ oder alternativ zum Einsatz kommen.
In 8 ist noch dargestellt, dass zwischen den Schritten S20 und S40 eine Sicherheitsabfrage S30 eingeschaltet werden kann, in der das Windsignal w auf extreme Abweichungen über einer weiteren Schwelle Δ_critical überprüft wird und bei Überschreitung des kritischen Wertes eine Änderung des Betriebsparameters unmittelbar eingeleitet wird (S100), um unmittelbare Fehler durch andauerntde extreme Schräganströmung des Rotors zu vermeiden.
Wenn, wie in diesem Ausführungsbeispiel, die Gondelposition (Rotorachse) dem Wind nachgeführt werden soll und das Windsignal w die Windrichtung wiedergibt, können die zuvor genannten Parameter Δ₀ und Δ_W, Δ₂, Δ_t, Δ_critical in Abhängigkeit der Ist- oder gemittelten Ist-Geschwindigkeit gewählt werden.
Wenn eine Änderung der in diesem Ausführungsbeispiel durch die Orientierung der Rotorachse gegebenen Parametereinstellung erforderlich wird, kann diese in einer Variante nach einer grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannten Art durchgeführt werden, indem gemäß einer vorgegebenen und insbesondere eine die vom Rotor verursachten Luftverwirbelungen im Messbereich korrigierende Korrekturen berücksichtigende Nachführvorschrift nachgestellt wird, in welche als Zielwert eine Windrichtungseingangsgröße eingeht. Diese Windrichtungseingangsgröße kann beispielsweise ein 30 Sekunden Mittelwert des Windrichtungssignals w sein.
Es kann jedoch auch bei der Änderung der Orientierung der Rotorachse auf die fortlaufend durchgeführte Extremwert- und Trendanalyse zurückgegriffen werden. Läge nämlich beispielsweise das Ende des Feststellungszeitraums vor dem Zeitpunkt t2, so würde nach dem vorstehend beschriebenen Verfahrensablauf eine Gondelnachführung eingeleitet werden. Da das Nachfahren der Gondel aber nur langsam verläuft, würde die Extremwert- und Trendanalyse das relevante Maximum w₂ und die danach gegenläufige Tendenz des Windsignals w während der Gondeldrehung erkennen und für eine Modifizierung des Zielwertes der Gondeleinstellung sorgen. Beispielsweise könnte der neue Zielwert sich aus der Nachfahrvorschrift ergeben, in die als Eingangsgröße statt des oben genannten Mittelwertes ein Prozentsatz der maximalen Abweichung von w₂ eingeht, beispielsweise ein Prozentsatz im Bereich von 20 bis 50%, beispielsweise 25%. Die Wahl dieses Prozentsatzes kann ebenfalls windgeschwindigkeitsabhängig erfolgen.
Im obigen Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung in ihrer Anwendung auf einen kontinuierlich einstellbaren Parameter wie die Orientierung der Rotorachse erläutert.
Es könnte jedoch nach analogen Prinzipien die Rotorblattanstellung als Parameter herangezogen werden. Diese wird üblicherweise drehzahlgeregelt, indem mit der Pitch-Regelung versucht wird, eine Nenndrehzahl zu halten. Die dazu herkömmlich nur berücksichtigte Drehzahl reagiert allerdings aufgrund der Trägheit des Rotors verzögert auf Windänderungen. Gemäß der Erfindung kann für die Regelung jedoch mittels einer Kombination von Drehzahlsignal und der erläuterten Windtrendanalyse eine Anpassung der Pitch-Regelung erfolgen, indem das Verhalten des Windsignals in der über seinen Verlauf genau bestimmten Weise einfließen kann.
Beispielsweise kann, wenn die Pitch-Regelung anhand einer Drehzahlerhöhung ein Verstellsignal ausgeben würde, und aufgrund einer aus dem Windsignal erkannten gegenläufigen Tendenz zu der für die Änderung der Rotorblattanstellung verantwortlich zeichnenden Windtendenz erkannt würde, ein unnötiges Ändern der Rotorblatteinstellung in die eine und nachfolgende Rückänderung in die andere Richtung vermieden werden.
Eine weitere Ausgestaltung und Ausnutzung des erfindungsgemäßen Prinzips ergibt sich für die Frage der Zu- und Abschaltung der Anlage selbst. Üblicherweise wird ein Anlaufen der Anlage ohne Last gestartet, sobald ein bestimmter Mittelwert der Windgeschwindigkeit über eine für den Betrieb der Anlage vorgesehene Mindestwindgeschwindigkeit ansteigt, wobei die Anlage in den Zustand ”Anlaufphase” wechselt (der Pitch-Winkel nimmt langsam von 90° ab), um in diesem Zustand auf die Zuschaltdrehzahl zu gefangen. Ein Zuschalten der Anlage erfolgt, wenn die Generatordrehzahl über die Zuschaltdrehzahl steigt.
Erfindungsgemäß könnte dieses Zuschalten vermieden oder ggf. verzögert werden, wenn eine gegenläufige Tendenz (zu wieder niedrigeren Windgeschwindigkeiten) erkannt wird.
Ebenfalls kann, falls bei Betrachtung des zeitlichen Mittelwerts der Windgeschwindigkeit die Mindestwindgeschwindigkeitsschwelle wieder unterschritten wird, dennoch ein Bremsen der Anlage durch Einstellung der Pitch-Winkel auf 90° vermieden oder verzögert werden, wenn in dem Windgeschwindigkeitssignal eine der für das Absinken des Mittelwerts verantwortlich zeichnende Tendenz aufgrund der Extremwert- und Trendanalyse ein gegenläufiger Trend hin zu einer wieder steigenden Windgeschwindigkeit erkannt wird.
Die Zuschaltung kann somit effizienter erfolgen, unnötige Zu- und Abschaltvorgänge können vermieden, ein Verschleiß von Leitungsschaltern des Umrichters der Anlage durch häufige Benutzung vermieden und ein Bezug von Energie aus dem an die Anlage angekoppelten Netz ebenfalls verringert werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt im Abschalten der Windenergieanlage bei Starkwind. Ein Abschalten der Anlage bei über einen vorgegebenen Zeitraum (z. B. 10 Minuten) ermittelten, einen oberen Grenzwert überschreitenden Windgeschwindigkeit werden Windenergieanlagen üblicherweise durch Starten eines Bremsprogramms gestoppt. Die erfindungsgemäße Überprüfung des Windsignals, hier des Windgeschwindigkeitssignals auf eine der ermittelten Tendenz gegenläufigen Tendenz sorgt auch hier für eine präzisere Steuerung der Anlage und vermeidet ein Stoppen der Anlage, wenn aus dem Verlauf des Windgeschwindigkeitssignals eine für das Stoppen der Anlage verantwortlich zeichnende Windgeschwindigkeitstendenz durch die bei der Überprüfung erkannte gegenläufige Tendenz bereits veraltet ist.
Die Erfindung ist somit nicht auf die anhand der Figuren detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Vielmehr können die Merkmale der Ansprüche und der Beschreibung einzeln und in Kombination für die Ausführung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer einen Rotor aufweisenden Windenergieanlage, bei dem unter fortlaufender Messung des den Rotor umströmenden Windes ein Windsignal (w) erzeugt wird, und bei dem wenigstens ein Betriebsparameter der Anlage windabhängig eingestellt wird, wobei das Windsignal (w) fortlaufend überwacht wird, um die Einstellung des wenigstens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit festgestellter Windänderungen ändern zu können, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Überwachung zunächst gemäß einem ersten Kriterium eine Tendenz zu einer Windänderung ermittelt (S20), das Windsignal (w) unter Berücksichtigung seines Verlaufs gemäß einem zweiten Kriterium (S40) auf eine der ermittelten Tendenz gegenläufige Tendenz überprüft und die Einstellung des wenigstens einen Betriebsparameters in Abhängigkeit dieser Überprüfung ändert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Berücksichtigung des Signalverlaufs eine Extremwertabfrage beinhaltet, und insbesondere das zweite Kriterium das Vorliegen eines Extremwerts in Richtung der ermittelten Tendenz voraussetzt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein Extremwert des Windsignals (w) als das zweite Kriterium erfüllender Extremwert (w₂) klassifiziert wird, wenn nachfolgende Werte (w₃) des Windsignals (w) einen vorgegebenen Abstand (Δ_w) zu diesem Wert (w₂) überschreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem man die Einstellung des Betriebsparameters nicht ändert, wenn innerhalb eines Feststellungszeitraums (Δ_t) der Überprüfung eine gegenläufige Tendenz festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Feststellungszeitraum (Δ_t) der Überprüfung verlängert wird, wenn ein Anzeichen für eine gegenläufige Tendenz erkannt (S70) wird, diese aber noch unbestätigt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einstellung des Betriebsparameters geändert wird (S100), wenn am Ende des Feststellungszeitraums keine gegenläufige Tendenz festgestellt wurde, und insbesondere ein weiteres Kriterium (60a) erfüllt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei einer Änderung der Parametereinstellung im Falle eines kontinuierlich einstellbaren Parameters der neu einzustellende Wert in Abhängigkeit des weiter beobachteten Windsignalverlaufs (w) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Kriterium erfüllt ist und insbesondere ein Feststellungszeitraum der Überprüfung beginnt, wenn ein Wert des Windsignals (w) einen der Ist-Einstellung des Parameters entsprechenden Referenzwert um eine vorgegebene erste Schwelle (Δ₀) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Feststellungszeitraum der Überprüfung beendet wird, wenn ein Wert des Windsignals einen der Ist-Einstellung des Parameters entsprechenden Referenzwert um eine vorgegebene, höher als die erste Schwelle (Δ₀) liegende zweite Schwelle (Δ_critical) überschreitet, und dann eine Änderung der Parametereinstellung vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Windsignal (w) durch Glättung der bei der Messung erhaltenen Messwerte (m) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem bei der Glättung im die Bestimmung eines kten Werts des Windsignals (w) neben dem k-ten Messwert nur Werte des Windsignals (w) bis zum fünften vorangegangenen, vorzugsweise nur bis zum dritten vorangegangenen Wert einfließen, insbesondere nur der (k – 1)te Wert des Windsignals einfließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Windrichtung, die Windgeschwindigkeit oder diese beiden Windgrößen gemessen werden und insbesondere nach jeweiliger Glättung das Windsignal/einen Teil des Windsignals bilden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Glättung der gemessenen Werte der Windrichtung, das erste Kriterium, das zweite Kriterium, die Dauer des Feststellungszeitraums, die erste Schwelle und/oder die zweite Schwelle von der Windgeschwindigkeit abhängt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Betriebsparameter die Orientierung der Rotorachse umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Betriebsparameter die Anstellung der Rotorblätter des Rotors umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Betriebsparameter einen diskreten Betriebszustand der Anlage bestimmt, und dessen Änderung insbesondere den Übergang zwischen Zuschalten der Windenergieanlage oder Abschalten der Windenergieanlage bei zu geringen und/oder zu starken Windgeschwindigkeiten.
Steuerprogramm für eine Windenergieanlage in Form eines Computerprogrammprodukts, welches, wenn auf einer Steuereinrichtung der Windenergieanlage ausgeführt, die Windenergieanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16 veranlasst.
Computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Steuerprogramm nach Anspruch 17 abgespeichert ist.
Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Messanordnung zur Messung von Richtung und/oder Geschwindigkeit des den Rotor umströmenden Windes, sowie einer Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung auf ein Steuerprogramm nach Anspruch 17 zugreifen kann und zur Steuerung der Windenergieanlage mit Steueranweisungen gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 befähigt ist.