DE102013004446A1 - Verfahren zur Abschätzung von Windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei Windkraftanlagen - Google Patents

Verfahren zur Abschätzung von Windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei Windkraftanlagen Download PDF

Info

Publication number
DE102013004446A1
DE102013004446A1 DE102013004446.4A DE102013004446A DE102013004446A1 DE 102013004446 A1 DE102013004446 A1 DE 102013004446A1 DE 102013004446 A DE102013004446 A DE 102013004446A DE 102013004446 A1 DE102013004446 A1 DE 102013004446A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
wind
rotor
distribution profile
wind speed
determined
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102013004446.4A
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Weickert
Kim Listmann
Thomas Reisinger
Christoph Byner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB AG Germany
Original Assignee
ABB AG Germany
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB AG Germany filed Critical ABB AG Germany
Priority to DE102013004446.4A priority Critical patent/DE102013004446A1/de
Priority to PCT/EP2014/000145 priority patent/WO2014139614A1/de
Publication of DE102013004446A1 publication Critical patent/DE102013004446A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D17/00Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00Function
    • F05B2260/82Forecasts
    • F05B2260/821Parameter estimation or prediction
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00Control
    • F05B2270/30Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/32Wind speeds
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Abschätzung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) beim Betrieb von Windkraftanlagen (10, 30), welche über einen Generator und mehrere um eine Rotornabe (20) drehbare (24) Rotorblätter (14, 16, 18, 32, 34, 64, 68) mit einem jeweiligen Stellantrieb zu deren individueller Pitchverstellung (64 ⇔ 68) verfügen, wobei fernerhin ein Steuersystem zum Ansteuern der Stellantriebe vorgesehen ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: • Erfassung wenigstens einer momentanen Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße, insbesondere der Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe, der Drehgeschwindigkeit des Rotors beziehungsweise der von dem Generator abgegebenen elektrischen Leistung, • Erfassung des momentanen Rotordrehwinkels (26), • Erfassung wenigstens einer momentanen Rotorblatt-spezifischen windabhängigen Messgröße, • Bestimmung des momentanen Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) unter Verwendung der wenigstens einen Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße, der Rotorblatt-spezifischen windabhängigen Messgröße sowie des Rotordrehwinkels (26), • Bereitstellung des ermittelten Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) an das Steuersystem, • wobei die genannten Schritte kontinuierlich wiederholt werden, so dass sich ein zeitlicher Verlauf der betrachteten Größen ergibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils beim Betrieb von Windkraftanlagen, welche über einen Generator und mehrere um eine Rotornabe drehbare Rotorblätter mit einem jeweiligen Stellantrieb zu deren individueller Pitchverstellung verfügen, wobei fernerhin ein Steuersystem zum Ansteuern der Stellantriebe vorgesehen ist, umfassend den Schritt der Erfassung wenigstens einer momentanen Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße, insbesondere der Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe, der Drehgeschwindigkeit des Rotors beziehungsweise der von dem Generator abgegebenen elektrischen Leistung.
  • Es ist allgemein bekannt, dass Windkraftanlagen einen Leistungsbereich von beispielsweise 1 MW bis 5 MW aufweisen. Ein Maschinenhaus mit innen angeordnetem Generator und außen angeordnetem drehbaren Rotor ist hierbei auf einem Turm angeordnet, wobei der Rotor sich unter Einfluss eines einwirkenden Windes dreht und somit den Generator antreibt. Ein Rotor weist typischerweise drei symmetrisch um die Nabe angeordnete Rotorblätter auf, wobei diese jeweils eine Länge von beispielsweise im Bereich von 30 m–50 m bei einem Gewicht von 6 t bis 10 t aufweisen. Die Turmhöhe kann im Bereich von 80 m liegen.
  • Der auf den Rotor einwirkende Wind ist aufgrund der großen Fläche des von den Rotorblättern überstrichenen Bereichs zumeist nicht homogen verteilt, es ist vielmehr von einem entsprechenden Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil auszugehen. Dieses weist typischerweise im oberen Bereich der vom Rotor überstrichenen Fläche eine höhere Windgeschwindigkeit auf als im unteren Bereich, welcher gegebenenfalls entsprechenden umgebungsbedingten Abschattungen unterworfen ist.
  • Im Betrieb der Windkraftanlage überstreichen die Rotorblätter also Bereiche des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils mit unterschiedlicher Windgeschwindigkeit. Dies führt aufgrund der sich zyklisch ändernden einwirkenden Momente zu einer zusätzlichen mechanischen Beanspruchung der Windkraftanlage. Um derartige Beanspruchungen zu reduzieren sind die Rotorblätter normalerweise um eine jeweilige Anstellachse, welche jeweils in etwa senkrecht zur Drehachse des Rotors verläuft, mittels eines Stellantriebes individuell verstellbar, wobei dieser Stellvorgang im Übrigen auch als „Pitchen” bezeichnet wird. Somit lässt sich der jeweilige Anstellwinkel (Pitchwinkel) eines jeweiligen Rotorblattes zum Wind für jeden Drehwinkel des Rotors derart anpassen, dass die auf alle Rotorblätter des Rotors wirkende Momente für jeden Drehwinkel des Rotors in etwa gleich sind.
  • Als Ausgangsbasis für eine entsprechende Regelung des Pitchwinkels werden einem Steuersystem Messdaten der Windkraftanlage zur Verfügung gestellt, anhand welcher eine Regelung erfolgt. Dies ist beispielsweise die Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe der Windkraftanlage, wobei diese üblicherweise als Mittelwert über einen Zeitraum von beispielsweise 10 min erfasst wird. Die Kenntnis eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils als Eingangsgröße für das Steuersystem zur Pitchreglung ermöglicht einen genaueren Regelvorgang. Bezüglich der Erfassung eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils wird – wenn eine Erfassung überhaupt vorgesehen ist – zumeist ein LIDAR (Light detection and ranging) basiertes Messsystem verwendet. Die mechanische Beanspruchung der Blätter kann darüber hinaus durch deren Verbiegung mittels faseroptischer Messsysteme erfasst werden.
  • Derartige Messsysteme sind jedoch sehr aufwändig. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Abschätzung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils beim Betrieb von Windkraftanlagen anzugeben, welches mit einem besonders geringen zusätzlichen Hardwareaufwand auskommt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren der eingangs genannten Art. Dieses ist gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    • • Erfassung des momentanen Rotordrehwinkels,
    • • Erfassung wenigstens einer momentanen Rotorblatt-spezifischen windabhängigen Messgröße,
    • • Bestimmung des momentanen Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils unter Verwendung der wenigstens einen Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße, der Rotorblatt-spezifischen windabhängigen Messgröße sowie des Rotordrehwinkels,
    • • Bereitstellung des ermittelten Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils an das Steuersystem,
    • • wobei die genannten Schritte kontinuierlich wiederholt werden, so dass sich ein zeitlicher Verlauf der betrachteten Größen ergibt.
  • Die Grundidee der Erfindung besteht darin, das Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil indirekt anhand von denjenigen Messwerten zu ermitteln, welche beim Betrieb einer Windkraftanlage ohnehin vorhanden sind, so dass zusätzliche Hardware weitestgehend vermieden ist. Hierzu ist zunächst die Verwendung wenigstens einer Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße vorgesehen, welche letztendlich dem Mittelwert der Windgeschwindigkeit des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils entspricht oder diesen zumindest indirekt repräsentiert. Eine Rotorblatt-unabhängige windabhängige Messgröße kann im einfachsten Fall die Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe sein. Aber beispielsweise auch die elektrisch abgegebene Leistung der Windkraftanlage, die Drehgeschwindigkeit des Rotors oder auch die Durchbiegung des Turms sind ebenfalls als Rotorblatt-unabhängige windabhängige Messgröße anzusehen.
  • Im Weiteren ist die Erfassung und Verwendung einer Rotorblatt-spezifischen windabhängigen Messgröße in Abhängigkeit des Rotordrehwinkels zur Ermittlung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils vorgesehen. Die Messgröße weist bei inhomogenem Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil periodische Schwankungen auf, welche vom momentanen Drehwinkel des Rotors abhängig sind und sich nach einer Rotorumdrehung näherungsweise zyklisch wiederholen. Letztendlich repräsentiert die Rotorblatt-spezifische windabhängige Messgröße Belastungsschwankungen des auf das Rotorblatt wirkenden Windes, wobei sich typischerweise im unteren Bereich des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils eine geringere Windgeschwindigkeit einstellt als im oberen Bereich.
  • Ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil kann aus mehreren sternähnlich um die Rotornabe angeordneten keilähnlichen flächigen Bereichen bestehend angenommen werden, wobei jedem flächigen Bereich eine individuelle Windgeschwindigkeit zugeordnet ist. Bei einer Drehbewegung des Rotors überstreicht jedes Rotorblatt pro Umdrehung jeden dieser flächigen Bereiche genau einmal. Basierend auf der den Mittelwert der Windgeschwindigkeit über das Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil repräsentierenden Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße werden entsprechend einer Ausführungsform erfindungsgemäß in Abhängigkeit des Drehwinkels des Rotors für jeden flächigen Bereich Abweichungen zum Mittelwert addiert oder subtrahiert. Auf diese Weise ist durch die flächigen Bereiche ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil definiert. Bei der Ermittlung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils werden letztendlich sequentiell für die flächigen Bereiche jeweilige Windgeschwindigkeiten berechnet und gespeichert, so dass nach einer kompletten Rotorumdrehung alle flächigen Bereiche einen Windgeschwindigkeitswert aufweisen und ein komplettes Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil zur Verfügung steht.
  • Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens korreliert die Rotorblatt-spezifische windabhängige Messgröße mit dem momentanen Drehmoment von einem der jeweiligen Stellantriebe zur Pitchverstellung.
  • Es kann angenommen werden, dass aufgrund der komplexen Form eines Rotorblattes die beiden Angriffsflächen für den Wind, welche sich beiderseits der Anstellachse eines Rotorblattes ergeben, nicht identisch sind. Da der auf die beiden Flächen auftreffende Wind jeweils ein entgegengesetztes um die Anstellachse des Rotorblattes wirkendes Moment erzeugt resultiert daraus eine Windabhängigkeit des Drehmomentes, welches zum Anstellen eines Rotorblattes überwunden werden muss. Das Drehmoment des jeweiligen Stellantriebes kann deshalb in besonders bevorzugter Weise als Rotorblatt-spezifische windabhängige Messgröße verwendet werden.
  • Für den theoretischen Fall, dass das Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil homogen ist, würden keine Anstell- oder Pitchbewegungen der Rotorblätter erfolgen und dem ermittelten Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil würde in allen flächigen Bereichen dieselbe Windgeschwindigkeit zugeordnet werden, welche sich aus der Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße ergibt.
  • Der Stellantrieb für die Pitchverstellung ist zumeist ein elektrischer Motor. Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens wird das jeweilige Drehmoment eines Stellantriebes indirekt bestimmt, insbesondere nämlich anhand von Strom-, Spannungs- und/oder Wirkleistungsverlauf des Stellantriebes. Strombeziehungsweise Spannungssensoren sind in aller Regel für die Ansteuerung eines solchen Stellantriebes ohnehin vorgesehen, so dass sich das bei einer Pitchverstellung wirkende Drehmoment daraus in einfacher Weise berechnen lässt.
  • Das bei einer Pitchbewegung wirkende Drehmoment weist zwei Anteile auf, nämlich einen auf der Masseträgheit des Rotorblattes beruhenden Anteil und einen weiteren Anteil, welcher wie zuvor erläutert, windabhängig ist. Als Eingangsgröße für die Berechnung eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils ist jedoch nur der windabhängige Anteil von Bedeutung. Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird deshalb ein Drehmomentverlauf einer vergleichbaren Korrekturbewegung eines vom Wind unbelasteten Rotorblattes von dem gemessenen Drehmomentverlauf subtrahiert, so dass der so ermittelte Differenzdrehmomentverlauf beziehungsweise das momentane Differenzdrehmoment im Wesentlichen durch das Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil bedingt ist, wobei das ermittelte momentane Differenzdrehmoment als Eingangsgröße für die Ermittlung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils verwendet wird.
  • Einer weiteren Erfindungsvariante des Verfahrens folgend wird dieses gleichzeitig für mehrere Rotorblätter der Windkraftanlage durchgeführt. Somit ergeben sich letztendlich mehrere ermittelte Windgeschwindigkeitsprofile, nämlich eins für jedes betrachtete Rotorblatt, welche aufgrund der Baugleichheit der Rotorblätter und deren symmetrischer Anordnung im Rotor zumindest theoretisch gleich sein müssten. In der Realität ist jedoch aufgrund stochastischer Einflüsse und auch eventueller Messfehler mit gewissen Abweichungen voneinander zu rechnen.
  • Um diese Abweichungen zu reduzieren und so ein genaueres Endergebnis eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils zu erhalten ist es in einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen, die bezüglich mehrerer Rotorblätter ermittelten jeweiligen Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile zu einem gemeinsamen Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil zusammenzuführen. Dies kann im einfachsten Fall durch eine Mittelwertbildung über die Flächen der ermittelten Profile erfolgen. Es ist aber auch durchaus möglich, einen zeitlichen Mittelwert zu bilden. Je Umdrehung des Rotors stehen genügend Messdaten zur Ermittlung eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils zur Verfügung. Wenn für ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil die Daten mehrerer Rotorumdrehungen verwendet werden, so ergibt sich einerseits ein stabileres Endergebnis, was sich andererseits auch nur langsamer an dynamische Änderungen der tatsächlichen Windverhältnisse anpasst. Auch eine zeitliche Gewichtung ist gegebenenfalls vorteilhaft, nämlich dass beispielsweise die zeitlich neueren Ergebnisse höher gewichtet werden als die zeitlich älteren Ergebnisse.
  • Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ermittlung eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils anhand eines Look-Up Tables, in welchem für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen der Windkraftanlage jeweilige Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile gespeichert sind und aus welchen anhand der gemessenen Eingangsgrößen das jeweils geeignetste oder nächstliegende ausgewählt wird. Die Betriebsbedingungen sind insoweit durch die Rotor-unabhängigen und Rotorabhängigen Messgrößen vorgegeben. Ein Look-Up Table kann als Datenbank verstanden werden, welche einen Bezug zwischen den (Eingangs-)Messgrößen und einem Windgeschwindigkeitsprofil herstellt. Vorteilhaft hierbei ist hier insbesondere die geringe Rechenzeit, da eine Berechnung im eigentlichen Sinne nicht erfolgt, sondern nur dasjenige Windgeschwindigkeitsprofil mit den ähnlichsten Eingangsparametern ausgewählt wird. Ein Look-Up Table ermöglicht auch die Angabe eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils, welches nicht durch keilähnliche Flächen dargestellt ist, sondern wo die Flächen beispielsweise rasterähnlich angeordnet sind. In einem solchen Fall erweist es sich als sinnvoll, wenn dem Look-Up Table zeitliche Verläufe der Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt und auch berücksichtigt werden.
  • Es ist aber auch durchaus im Rahmen dieser Erfindung, dass ein Look-Up Table nicht Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile im eigentlichen Sinne beinhaltet, sondern lediglich Zwischenergebnisse, welche noch weiter zu verarbeiten sind. So kann es sich als vorteilhaft erweisen, den Mittelwert des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils direkt aus den Rotor-unabhängigen Messgrößen abzuleiten und lediglich die Rotor-abhängigen Messgrößen mittels des Look-Up Tables weiter zu verarbeiten.
  • Gemäß einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wurden Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile des Look-Up Tables zuvor durch entsprechende Simulationen ermittelt, beispielsweise mittels Finite-Elemente-Berechnungen eines Modelles, und danach in dem Look-Up Table abgelegt. Simulationen ermöglichen auf einfache Weise die Darstellung von – auch extremen – Betriebsbedingungen. Zudem sind alle möglichen Kombinationen der Einflussgrößen in beliebiger Quantelung systematisch ermittelbar und der Look-Up Table damit systematisch füllbar.
  • Entsprechend einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wurden Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile des Look-Up Tables anhand von entsprechende Messungen ermittelt, beispielsweise anhand einer mit entsprechenden Messsensoren ausgestatteten Testanlage oder eines realen Modelles einer vergleichbaren Windkraftanlage.
  • Optional ist es auch möglich, dass ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil direkt anhand eines analytischen Algorithmus bestimmt wird. Dies kann entweder direkt bei der Abarbeitung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte erfolgen oder aber auch bei der Ermittlung der Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile für einen Look-Up Table.
  • Ein ermitteltes Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil kann optional vom Steuersystem als eine Eingangsgröße zur Ermittlung von Regelparametern zum Ansteuern der Stellantriebe verwendet werden. Somit sind verbesserte Eingangsparameter für eine Regelung bereitgestellt. Es ist aber auch für den Fall, dass ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil bereits auch auf anderem Wege bestimmt wird, möglich das erfindungsgemäß ermittelte Windgeschwindigkeitsprofil mit diesem in Korrelation zu setzen und bei Überschreiten eines Differenzwertes ein Warnsignal zu geben. Somit ist in vorteilhafter Weise eine Redundanz gegeben, so dass eine Fehlfunktion bei der Ermittlung eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils frühzeitig erkannt wird.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils durch das Steuersystem selbst. Dies ist im Wesentlichen als eine Rechenvorrichtung anzusehen, welche bei genügend hoher Rechenleistung auch für die automatische und kontinuierliche Bestimmung eines Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils verwendet werden kann. Die entsprechenden in der Windkraftanlage verfügbaren Messwerte der relevanten Messgrößen sind dem Steuersystem in der Regel ebenfalls bereitgestellt, so dass sich ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil auf diese Weise mit besonders wenig zusätzlichem Hardwareaufwand ermitteln lässt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind den weiteren abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
  • Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung, weitere Ausführungsformen und weitere Vorteile näher beschrieben werden.
  • Es zeigen:
  • 1 eine exemplarische erste Windkraftanlage,
  • 2 eine exemplarische zweite Windkraftanlage,
  • 3 die exemplarische Pitchverstellung eines Rotorblattes sowie
  • 4 einen exemplarischen Verlauf einer Pitchwinkeldifferenz.
  • 1 zeigt eine exemplarische erste Windkraftanlage 10 in einer Frontalansicht. Auf einem Turm 22 ist ein Maschinenhaus angeordnet, mit welchem eine drehbare Rotornabe 20 verbunden ist. Sternförmig um die Rotornabe 20 sind drei Rotorblätter 14, 16, 18 angeordnet, welche zusammen den Rotor bilden. Die Rotorblätter 14, 16, 18 überstreichen bei einer Drehbewegung 24 eine kreisrunde Fläche 12, welche auch die Grundfläche für ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil bildet.
  • Bei Einwirken eines Windes quer zur kreisrunden Fläche 12 wird der Rotor in Bewegung versetzt und ein nicht gezeigter Generator im Maschinenhaus angetrieben. Üblicherweise ist die Windgeschwindigkeit in Bodennähe geringer als in den oberen Bereichen der Fläche 12, so dass auf das obere Rotorblatt 14 eine stärkere Windgeschwindigkeit wirkt als auf die beiden momentan im unteren Bereich befindlichen Rotorblätter 16, 18. Es ergeben sich für jedes Rotorblatt 14, 16, 18 zyklische Belastungen, welche sich mit jeder Rotordrehung in etwa wiederholen und welche in etwa um 120° zueinander verschoben sind. Um die Einflüsse einer unterschiedlichen Windgeschwindigkeitsverteilung quer zur Fläche 12 zu kompensieren, werden die Rotorblätter 14, 16, 18 üblicherweise derart gepitcht beziehungsweise angestellt, dass sich während der Drehbewegung des Rotors eine möglichst gleichmäßige Belastung ergibt. Der Winkel α mit der Bezugsziffer 26 stellt den Drehwinkel des Rotors dar. Die Drehwinkel der Rotorblätter 14, 16, 18 sind jeweils um 120° zueinander verschoben.
  • 2 zeigt eine exemplarische zweite Windkraftanlage 20 in einer Seitenansicht. Auf einem Turm 46 ist ein Maschinenhaus 42 angeordnet, an dessen einem Ende ein Rotor mit Rotorblättern 32, 34 angeordnet ist, welcher um eine Drehachse 44 drehbar ist. Auf den Rotor wirken Windkräfte 36, 38, 40, welche höhenabhängig sind, so dass sich ein inhomogenes Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil ergibt. Dies ist dadurch angedeutet, dass die im oberen Bereich wirkende Windkraft 36 größer ist als die in Nabenhöhe wirkende Windkraft 38, die ihrerseits größer ist als die im unteren Bereich wirkende Windkraft 40.
  • Mit einer gebogenen Linie 48 ist schematisch eine Durchbiegung des Turmes 46 angedeutet. Eine derartige Durchbiegung resultiert aus der Summe der auf den Rotor einwirkenden Windkräfte und ist damit – zumindest indirekt – auch als Rotorblattunabhängige Messgröße zur Ermittlung der Windgeschwindigkeit verwendbar. Die Bestimmung einer Durchbiegung erfolgt beispielsweise anhand einer optischen Abstandsmessung zwischen oberem und unterem Turmteil. Mit der Bezugsziffer 50 ist auf dem Dach des Maschinenhauses 42 ein Windsensor angedeutet, welcher die Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe erfasst.
  • 3 zeigt in einer Darstellung 60 die exemplarische Pitchverstellung eines Rotorblattes 64, 68, das als Teil eines Rotors anzusehen ist, welcher um eine Rotationsachse 74 drehbar ist. Senkrecht zur Rotationsachse 74 verläuft eine Drehachse 62, um welches das Rotorblatt 64, 68 dreh- oder anstellbeziehungsweise pitchbar ist. So ist das das Rotorblatt in einer ersten Ausrichtung 66 gezeigt und in einer dazu gedrehten zweiten Ausrichtung 70, wobei zwischen beiden Ausrichtungen eine Dreh- oder Pitchwinkeldifferenz 72 angedeutet ist. Ein nicht gezeigter Stellantrieb ist dafür vorgesehen, eine Drehung des Rotorblattes zu bewirken.
  • 4 zeigt in einer Darstellung 80 einen exemplarischen Verlauf 82 einer Pitchwinkeldifferenz 84 über den Rotordrehwinkel α 86 für eine komplette Drehung eines Rotorblattes um 360° um die Drehachse eines Rotors. Bei einem Drehwinkel des Rotors von 0°, also im senkrechten Zustand eines Rotorblattes, ist die Winkeldifferenz entsprechend üblicher Konventionen zu null definiert.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    exemplarische erste Windkraftanlage
    12
    von Rotorblättern überstrichene Fläche
    14
    erstes Rotorblatt
    16
    zweites Rotorblatt
    18
    drittes Rotorblatt
    20
    Rotornabe
    22
    Turm
    24
    Rotationsrichtung
    26
    Rotordrehwinkel
    30
    exemplarische zweite Windkraftanlage
    32
    Rotorblatt in senkrechter oberer Position
    34
    Rotorblatt in senkrechter unterer Position
    36
    lokale Windstärke an erstem Angriffspunkt
    38
    lokale Windstärke an zweitem Angriffspunkt
    40
    lokale Windstärke an drittem Angriffspunkt
    42
    Maschinenhaus
    44
    Rotationsachse von Rotornabe
    46
    Turm
    48
    exemplarische Biegung des Turms
    50
    Windsensor
    60
    exemplarische Pitchverstellung eines Rotorblattes
    62
    Drehachse von Rotorblatt
    64
    Rotorblatt in erster Pitchposition
    66
    Ausrichtung des Rotorblattes in erster Pitchposition
    68
    Rotorblatt in zweiter Pitchposition
    70
    Ausrichtung des Rotorblattes in zweiter Pitchposition
    72
    Pitchwinkeldifferenz
    74
    Rotationsachse von Rotornabe
    80
    Verlauf der Pitchwinkeldifferenz in Abhängigkeit von Rotordrehwinkel
    82
    Pitchwinkeldifferenzverlauf
    84
    Pitchwinkel
    86
    Rotordrehwinkel

Claims (13)

  1. Verfahren zur Abschätzung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) beim Betrieb von Windkraftanlagen (10, 30), welche über einen Generator und mehrere um eine Rotornabe (20) drehbare (24) Rotorblätter (14, 16, 18, 32, 34, 64, 68) mit einem jeweiligen Stellantrieb zu deren individueller Pitchverstellung (6468) verfügen, wobei fernerhin ein Steuersystem zum Ansteuern der Stellantriebe vorgesehen ist, umfassend folgende Schritte: • Erfassung wenigstens einer ersten momentanen Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße, gekennzeichnet durch folgende Schritte, • Erfassung des momentanen Rotordrehwinkels (26), • Erfassung wenigstens einer momentanen Rotorblatt-spezifischen windabhängigen Messgröße, • Bestimmung des momentanen Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) unter Verwendung der wenigstens einen Rotorblatt-unabhängigen windabhängigen Messgröße, der Rotorblatt-spezifischen windabhängigen Messgröße sowie des Rotordrehwinkels (26), • Bereitstellung des ermittelten Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) an das Steuersystem, • wobei die genannten Schritte kontinuierlich wiederholt werden, so dass sich ein zeitlicher Verlauf der betrachteten Größen ergibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblatt-spezifische windabhängige Messgröße mit dem momentanen Drehmoment von einem der jeweiligen Stellantriebe zur Pitchverstellung (6468) korreliert.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Drehmoment eines Stellantriebes indirekt bestimmt wird, insbesondere anhand Strom-, Spannungs- und/oder Wirkleistungsverlauf des in einem solchen Fall elektrobasierten Antriebes.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehmomentverlauf einer vergleichbaren Korrekturbewegung eines vom Wind unbelasteten Rotorblattes (14, 16, 18, 32, 34, 64, 68) von dem gemessenen Drehmomentverlauf subtrahiert wird, so dass der so ermittelte Differenzdrehmomentverlauf beziehungsweise das momentane Differenzdrehmoment im Wesentlichen durch das Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil (36, 38, 40) bedingt ist, wobei das ermittelte momentane Differenzdrehmoment als Eingangsgröße für die Ermittlung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses gleichzeitig für mehrere Rotorblätter (14, 16, 18, 32, 34, 64, 68) der Windkraftanlage (10, 30) durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich mehrerer Rotorblätter (14, 16, 18, 32, 34) ermittelten jeweiligen Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile (36, 38, 40) zu einem gemeinsamen Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil zusammengeführt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile (36, 38, 40) anhand eines Look-Up Tables erfolgt, in welchem für eine Vielzahl von Betriebsbedingungen der Windkraftanlage (10, 30) jeweilige Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile (36, 38, 40) gespeichert sind und aus welchen anhand der gemessenen Eingangsgrößen das geeignetste ausgewählt wird.
  8. Verfahren Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile (36, 38, 40) des Look-Up Tables zuvor durch entsprechende Simulationen ermittelt wurden, beispielsweise mittels Finite-Elemente-Berechnungen.
  9. Verfahren Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Windgeschwindigkeitsverteilungsprofile (36, 38, 40) des Look-Up Tables zuvor durch entsprechende Messungen ermittelt wurden, beispielsweise anhand einer mit entsprechenden Messsensoren (50) ausgestatteten Testanlage oder eines realen Modelles einer vergleichbaren Windkraftanlage.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil anhand eines analytischen Algorithmus bestimmt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das ermittelte Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil (36, 38, 40) vom Steuersystem als eine Eingangsgröße zur Ermittlung von Regelparametern zum Ansteuern der Stellantriebe verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das ermittelte Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil (36, 38, 40) vom Steuersystem in Korrelation zu einem auf anderem Wege ermittelten Windgeschwindigkeitsverteilungsprofil gesetzt wird und bei Überschreiten eines Differenzwertes ein Warnsignal gegeben wird.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Windgeschwindigkeitsverteilungsprofils (36, 38, 40) durch das Steuersystem selbst erfolgt.
DE102013004446.4A 2013-03-15 2013-03-15 Verfahren zur Abschätzung von Windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei Windkraftanlagen Withdrawn DE102013004446A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013004446.4A DE102013004446A1 (de) 2013-03-15 2013-03-15 Verfahren zur Abschätzung von Windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei Windkraftanlagen
PCT/EP2014/000145 WO2014139614A1 (de) 2013-03-15 2014-01-18 Verfahren zur abschätzung von windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei windkraftanlagen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013004446.4A DE102013004446A1 (de) 2013-03-15 2013-03-15 Verfahren zur Abschätzung von Windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei Windkraftanlagen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102013004446A1 true DE102013004446A1 (de) 2014-09-18

Family

ID=50002675

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102013004446.4A Withdrawn DE102013004446A1 (de) 2013-03-15 2013-03-15 Verfahren zur Abschätzung von Windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei Windkraftanlagen

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102013004446A1 (de)
WO (1) WO2014139614A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK201670813A1 (en) * 2016-05-23 2017-12-11 Envision Energy (Jiangsu) Co Ltd Method of identifying a wind distribution pattern over the rotor plane and a wind turbine thereof
EP3276164A3 (de) * 2016-07-28 2018-02-14 General Electric Company System und verfahren zur steuerung einer windturbine

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3106624A1 (de) * 1981-02-23 1982-09-16 Dietrich, Reinhard, 8037 Olching Regelungsverfahren fuer windenergieanlagen mit direkt aus der umstroemung des aerodynamisch wirksamen und auftrieberzeugenden profiles gewonnenen eingangssignalen
DE19731918A1 (de) * 1997-07-25 1999-01-28 Aloys Wobben Windenergieanlage
DE19734912A1 (de) * 1997-08-12 1999-02-18 Hartmann & Braun Gmbh & Co Kg Verfahren zur Drehmomentabschaltung für einen Stellantrieb
US5936369A (en) * 1995-11-28 1999-08-10 Fanuc, Ltd Method of estimating disturbance load on servomotor
US20070041837A1 (en) * 2003-09-10 2007-02-22 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Blade-pitch-angle control device and wind power generator
WO2009071882A2 (en) * 2007-12-03 2009-06-11 The Kelvin Institute Limited Compensation system for a rotor

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009153614A2 (en) * 2008-06-20 2009-12-23 Clipper Windpower Technology, Inc. Means and method of wind turbine control for maximum power acquisition
EP2317327A1 (de) * 2009-10-28 2011-05-04 SSB Wind Systems GmbH & Co. KG Windsensorsystem mit Hilfe von Rotorblattsignalen
DE102010016292A1 (de) * 2010-04-01 2011-10-06 Ssb Wind Systems Gmbh & Co. Kg Kontrolleinrichtung für eine Windkraftanlage
NL2005400C2 (en) * 2010-09-27 2012-03-28 Stichting Energie Method and system for wind gust detection in a wind turbine.

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3106624A1 (de) * 1981-02-23 1982-09-16 Dietrich, Reinhard, 8037 Olching Regelungsverfahren fuer windenergieanlagen mit direkt aus der umstroemung des aerodynamisch wirksamen und auftrieberzeugenden profiles gewonnenen eingangssignalen
US5936369A (en) * 1995-11-28 1999-08-10 Fanuc, Ltd Method of estimating disturbance load on servomotor
DE19731918A1 (de) * 1997-07-25 1999-01-28 Aloys Wobben Windenergieanlage
DE19734912A1 (de) * 1997-08-12 1999-02-18 Hartmann & Braun Gmbh & Co Kg Verfahren zur Drehmomentabschaltung für einen Stellantrieb
US20070041837A1 (en) * 2003-09-10 2007-02-22 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Blade-pitch-angle control device and wind power generator
WO2009071882A2 (en) * 2007-12-03 2009-06-11 The Kelvin Institute Limited Compensation system for a rotor

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK201670813A1 (en) * 2016-05-23 2017-12-11 Envision Energy (Jiangsu) Co Ltd Method of identifying a wind distribution pattern over the rotor plane and a wind turbine thereof
DK179333B1 (en) * 2016-05-23 2018-05-07 Envision Energy Jiangsu Co Ltd Method of identifying a wind distribution pattern over the rotor plane and a wind turbine thereof
EP3276164A3 (de) * 2016-07-28 2018-02-14 General Electric Company System und verfahren zur steuerung einer windturbine
US10047722B2 (en) 2016-07-28 2018-08-14 General Electric Company System and method for controlling a wind turbine
EP3276164B1 (de) 2016-07-28 2020-11-18 General Electric Company System und verfahren zur steuerung einer windturbine

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014139614A1 (de) 2014-09-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1817496B1 (de) Verfahren zum optimieren des betriebs von windenergieanlagen
DE102008020154B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
EP2948677B1 (de) Verfahren zum ausmessen eines rotorblattwinkels
EP2553263A2 (de) Kontrolleinrichtung für eine windkraftanlage
EP2547905B1 (de) Verfahren zum betreiben einer windenergieanlage
WO2016091945A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum überwachen einer windenergieanlage
DE102016121961A1 (de) Verfahren zur Steuerung einer Windenergieanlage und zugehörige Windenergieanlage
EP3775536A1 (de) Windenergieanlage, windpark sowie verfahren zum regeln einer windenergieanlage und eines windparks
EP2366895B1 (de) Verfahren zur Bestimmung eines Wartungsazimutwinkels einer Windenergieanlage
DE102013004446A1 (de) Verfahren zur Abschätzung von Windgeschwindigkeitsverteilungsprofilen bei Windkraftanlagen
EP3715626B1 (de) Verfahren zum ermitteln einer leistungskurve einer windenergieanlage und entsprechende windenergieanlage
DE102010027229A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines Abstellwinkel-Korrektursignals für ein vorbestimmtes Rotorblatt eier Windkraftanlage
WO2016091933A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum überwachen einer windenergieanlage
EP3124787B1 (de) Steuerung und steuerungsverfahren für eine windenergieanlage
EP4004365A1 (de) Verfahren zur steuerung eines windparks, steuerungsmodul für einen windpark und windpark
EP4116576A1 (de) Verfahren zum erkennen einer extremlast an einer windenergieanlage
AT14998U1 (de) Verfahren zur Ermittlung eines Gierwinkelfehlers bei einer Windkraftanlage
EP3887677B1 (de) Verfahren zum betrieb einer windenergieanlage, windenergieanlage und computerprogrammprodukt
WO2019129373A1 (de) Verfahren zur vermessung von unwuchten von windkraftanlagenrotoren
EP4296507A1 (de) Verfahren zum parametrieren einer sensoranordnung aus mehreren lastsensoren eines rotorblattes einer windenergieanlage
EP3553311B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum steuern einer windenergieanlage
EP4321751A1 (de) Verfahren zum bestimmen einer blattfehlstellung eines rotorblattes eines rotors einer windenergieanlage
DE102018007997A1 (de) Verfahren und System zum Betreiben einer Windenergieanlage
DE102018007749A1 (de) Verfahren und System zum Betreiben einer Windenergieanlage
EP3870849A1 (de) Steuerung einer windenergieanlage

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: F03D0007000000

Ipc: F03D0007020000

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee