DE102014204017A1 - Method and device for rotor blade adjustment for a wind turbine - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Rotorblatteinstellung für eine Windkraftanlage (100) vorgestellt, wobei die Windkraftanlage (100) einen Rotor (104) mit einer Mehrzahl von Rotorblättern (106) aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Einlesens einer Mehrzahl von Blattlastsignalen (110) und einen Schritt des Ermittelns einer Mehrzahl von Korrekturwinkeln (224) für einen Pitchwinkel (112) je Rotorblatt (106) der Mehrzahl von Rotorblättern (106) unter Verwendung der Mehrzahl von Blattlastsignalen (110).A method for rotor blade adjustment for a wind turbine (100) is presented, wherein the wind turbine (100) has a rotor (104) with a plurality of rotor blades (106). The method includes a step of reading in a plurality of blade load signals (110) and a step of determining a plurality of pitch angles (112) for each rotor blade (106) of the plurality of rotor blades (106) using the plurality of blade load signals (110).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rotorblatteinstellung für eine Windkraftanlage, auf eine entsprechende Vorrichtung zur Rotorblatteinstellung für eine Windkraftanlage sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm. The present invention relates to a method for rotor blade adjustment for a wind turbine, to a corresponding device for rotor blade adjustment for a wind turbine and to a corresponding computer program.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen haben Rotorblätter von Windkraftanlagen unterschiedliche Eigenschaften. Sowohl die Geometrie als auch die Massenverteilung unterscheiden sich von Blatt zu Blatt. Dadurch ergeben sich unterschiedliche aerodynamische Eigenschaften der Rotorblätter, die Gesamtmasse und die Lage des Schwerpunktes variiert. Aus den produzierten Rotorblättern werden deshalb nach der Fertigung Sätze von je drei Rotorblättern zusammengestellt, welche möglichst die gleiche Masse und Schwerpunktlage haben. Gegebenenfalls wird die Masse bzw. der Schwerpunkt durch Trimmen angepasst. Dadurch wird vermieden, dass der Rotor der Windkraftanlagen, an welche diese Blätter montiert werden, eine große Unwucht aufweist. Unterschiedliches aerodynamisches Verhalten wird bei der Zusammenstellung der Rotorblattsätze nicht berücksichtigt. Teilweise werden nach der Montage der Blätter an der Windkraftanlage weitere Messungen durchgeführt. Dies ist aber nicht generell der Fall. Dabei wird erstens die aus der Unwucht resultierende Schwingungsanregung beim Betrieb der Windkraftanlage vermessen. Anschließend werden Zusatzgewichte angebracht, um die Unwucht – bzw. die resultierende Schwingungsanregung – weiter zu verringern. Due to manufacturing tolerances rotor blades of wind turbines have different properties. Both geometry and mass distribution differ from sheet to sheet. This results in different aerodynamic properties of the rotor blades, the total mass and the position of the center of gravity varies. From the rotor blades produced, therefore, sets of three rotor blades are assembled after production, which have as much as possible the same mass and center of gravity. If necessary, the mass or the center of gravity is adjusted by trimming. This avoids that the rotor of the wind turbines, to which these blades are mounted, has a large imbalance. Different aerodynamic behavior is not considered in the composition of the rotor blade sets. Partly after the installation of the blades on the wind turbine further measurements are carried out. This is not the case in general. Firstly, the vibration excitation resulting from the unbalance is measured during operation of the wind turbine. Subsequently, additional weights are applied in order to further reduce the imbalance or the resulting vibration excitation.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Belastung einer Windkraftanlage durch auf den Rotor aufgrund von Unwuchten wirkende Kräfte zu verringern. It is the object of the present invention to reduce a load on a wind turbine by acting on the rotor due to imbalance forces.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Rotorblatteinstellung für eine Windkraftanlage, eine entsprechende Vorrichtung zur Rotorblatteinstellung für eine Windkraftanlage, die Schritte des Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen ausführt sowie ein Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. This object is achieved by a method for rotor blade adjustment for a wind turbine, a corresponding device for rotor blade adjustment for a wind turbine, the steps of the method in corresponding facilities executes and solved a computer program according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
Dem vorgestellten Ansatz liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Fertigungstoleranzen zu Unterschieden im aerodynamischen Verhalten und dadurch zu unterschiedlichen auf die Rotorblätter wirkenden Kräften führen. Durch eine Veränderung des Pitchwinkels eines Rotorblatts können die Kräfte verändert werden. Wenn ein Rotor einer Windkraftanlage eine Mehrzahl von Rotorblättern aufweist, können die Pitchwinkel der Mehrzahl von Rotorblättern derart angepasst werden, dass die auf jedes Rotorblatt wirkenden Kräfte gleich sind. Vorteilhaft kann dadurch die Lebensdauer einer Windkraftanlage verlängert werden. The presented approach is based on the finding that manufacturing tolerances lead to differences in the aerodynamic behavior and thereby to different forces acting on the rotor blades. By changing the pitch angle of a rotor blade, the forces can be changed. When a rotor of a wind turbine has a plurality of rotor blades, the pitch angles of the plurality of rotor blades may be adjusted so that the forces acting on each rotor blade are equal. Advantageously, thereby the life of a wind turbine can be extended.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Verfahren zur Rotorblatteinstellung für eine Windkraftanlage, die einen Rotor mit einer Mehrzahl von Rotorblättern umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einlesen einer Mehrzahl von Blattlastsignalen; und
Ermitteln einer Mehrzahl von Korrekturwinkeln für einen Pitchwinkel je Rotorblatt der Mehrzahl von Rotorblättern unter Verwendung der Mehrzahl von Blattlastsignalen. The approach presented here provides a rotor blade adjustment method for a wind turbine comprising a rotor having a plurality of rotor blades, the method comprising the steps of:
Reading a plurality of sheet load signals; and
Determining a plurality of correction angles for a pitch angle per rotor blade of the plurality of rotor blades using the plurality of blade load signals.
Unter einer Windkraftanlage kann eine Windenergieanlage verstanden werden. Eine Windkraftanlage kann einen Rotor mit einer Mehrzahl von Rotorblättern aufweisen. Der Rotor kann zwei Rotorblätter aufweisen. Insbesondere kann der Rotor drei Rotorblätter aufweisen. Je Rotorblatt kann ein Blattlastsignal erfasst und bereitgestellt werden. So kann für jedes Rotorblatt ein Blattlastsignal eingelesen werden. Dabei kann ein Blattlastsignal eine Belastung oder eine gemittelte Belastung eines Rotorblatts während zumindest einer Rotation des Rotors repräsentieren. Für jedes Rotorblatt kann ein Pitchwinkel eingestellt werden. Unter einem Pitchwinkel kann ein Anstellwinkel des Rotorblatts verstanden werden beziehungsweise ein Winkel, um den das Rotorblatt um seine Längsachse verdreht wird. Eine Vorgabe für einen Pitchwinkel kann für die Mehrzahl der Rotorblätter gleich sein. Im Schritt des Ermittelns kann ein Korrekturwinkel für den Pitchwinkel für jedes Rotorblatt des Rotors bestimmt werden. Der Korrekturwinkel und die Vorgabe für den Pitchwinkel aus einer Drehzahlregelung können addiert werden, um als Einstellgröße verwendet zu werden. A wind power plant can be understood as a wind energy plant. A wind turbine may include a rotor having a plurality of rotor blades. The rotor may have two rotor blades. In particular, the rotor may have three rotor blades. Depending on the rotor blade, a blade load signal can be detected and provided. Thus, a blade load signal can be read in for each rotor blade. In this case, a blade load signal may represent a load or an average load of a rotor blade during at least one rotation of the rotor. A pitch angle can be set for each rotor blade. A pitch angle can be understood as an angle of attack of the rotor blade or an angle about which the rotor blade is rotated about its longitudinal axis. A default for a pitch angle may be the same for the majority of the rotor blades. In the step of determining, a correction angle for the pitch angle for each rotor blade of the rotor can be determined. The correction angle and the pitch angle command from a speed control can be added to be used as a set value.
Im Schritt des Einlesens kann die Mehrzahl von Blattlastsignalen eine Belastung, insbesondere eine mittlere Belastung, je Rotorblatt der Mehrzahl von Rotorblättern während zumindest einer Rotation des Rotors repräsentieren. Vorteilhaft können so Messfehler kompensiert werden. In the read-in step, the plurality of blade load signals may represent a load, in particular an average load, per rotor blade of the plurality of rotor blades during at least one rotation of the rotor. Advantageously, measurement errors can thus be compensated.
Im Schritt des Einlesens kann die eingelesene Mehrzahl von Blattlastsignalen unter Verwendung je eines Signals zumindest eines Dehnmessstreifens und ergänzend oder alternativ eines optischen Sensors und ergänzend oder alternativ eines Inertialsensors je Rotorblatt bestimmt werden. Die Sensoren können Sensorsignale bereitstellen, welche eine Blattlast des Rotorblatts repräsentieren. So kann es sich bei der Mehrzahl von Blattlastsignalen um Sensorsignale handeln. Ein Blattlastsignal kann über eine mittlere Blattauslenkung bestimmt werden. Eine Blattauslenkung kann mit einem Laser-basierten Messsystem ermittelt werden. Vorteilhaft kann auf vorhandene Sensorsignale in einer Windkraftanlage zurückgegriffen werden. In the read-in step, the read-in plurality of blade load signals can be determined using one signal each of at least one strain gauge and additionally or alternatively an optical sensor and additionally or alternatively an inertial sensor per rotor blade. The sensors may provide sensor signals representing blade load of the rotor blade. Thus, the plurality of blade load signals may be sensor signals. A leaf load signal can be determined via a mean blade deflection. A blade deflection can be determined with a laser-based measuring system. Advantageously be resorted to existing sensor signals in a wind turbine.
In einem dem Schritt des Ermittelns vorausgehenden Schritt des Bestimmens kann eine aerodynamische Unwucht unter Verwendung der Mehrzahl von Blattlastsignalen bestimmt werden. Dabei kann im Schritt des Ermittelns die Mehrzahl der Korrekturwinkel für den Pitchwinkel je Rotorblatt unter Verwendung der aerodynamischen Unwucht bestimmt werden, um die aerodynamische Unwucht zu reduzieren. Vorteilhaft kann zumindest je ein Blattlastsignal je Rotorblatt eine Belastung für das zugeordnete Rotorblatt repräsentieren. Dabei kann eine mittlere Belastung für alle Rotorblätter bestimmt werden und je Rotorblatt eine Abweichung von der mittleren Belastung ermittelt werden. Daraus ist einfach eine aerodynamische Unwucht bestimmbar. In a step of determining preceding the step of determining, an aerodynamic imbalance may be determined using the plurality of blade load signals. In this case, in the step of determining, the plurality of correction angles for the pitch angle per rotor blade can be determined using the aerodynamic unbalance in order to reduce the aerodynamic imbalance. Advantageously, at least one leaf load signal per rotor blade can represent a load for the associated rotor blade. In this case, an average load for all rotor blades can be determined and each rotor blade a deviation from the average load can be determined. This is simply an aerodynamic imbalance determined.
In einem Schritt des Bereitstellens kann ein Korrektursignal unter Verwendung der Mehrzahl von Korrekturwinkeln bereitgestellt werden, um die Mehrzahl von Rotorblättern einzustellen. Das Korrektursignal kann den Korrekturwinkel repräsentieren. Dabei kann das Korrektursignal einfach und effizient einem Steuergerät zum Einstellen der Pitchwinkel bereitgestellt werden. Vorteilhaft kann ein geschlossener Regelkreis gebildet werden. In a step of providing, a correction signal using the plurality of correction angles may be provided to adjust the plurality of rotor blades. The correction signal may represent the correction angle. In this case, the correction signal can be easily and efficiently provided to a control unit for adjusting the pitch angle. Advantageously, a closed loop can be formed.
In dem Schritt des Einlesens kann eine Information über eine Windgeschwindigkeit und eine Information über eine tatsächliche Leistung der Windkraftanlage eingelesen werden, und in einem weiteren Schritt des Ermittelns kann unter Verwendung der Information über die tatsächliche Leistung der Windkraftanlage und der Information über die Windgeschwindigkeit ein Leistungsquotient ermittelt werden, und in dem Schritt des Bereitstellens kann das Korrektursignal unter Verwendung des Leistungsquotienten bereitgestellt werden, und in einem Schritt des Optimierens können zumindest der Schritt des Einlesens, der weitere Schritt des Ermittelns und der Schritt des Bereitstellens wiederholt werden, bis der Leistungsquotient ein Maximum erreicht. Unter der Windgeschwindigkeit kann ein eine Geschwindigkeit des Windes im Bereich der Windkraftanlage repräsentierender Wert verstanden werden. Vorteilhaft können die Pitchwinkel in einem Teillastbereich für einen gesteigerten Ertrag optimiert werden. Ein Quotient aus der tatsächlichen Leistung und einer unter Verwendung der Windgeschwindigkeit ermittelten theoretischen Leistung der Windkraftanlage kann optimiert werden. Dabei kann beispielsweise ein Hill-Climbing-Algorithmus eingesetzt werden. In the reading-in step, information about wind speed and wind turbine actual power information may be read in, and in a further step of determining, a power quotient may be determined using the actual wind turbine power and wind speed information In the step of providing, the correction signal may be provided using the power quotient, and in a step of optimizing, at least the reading step, the further step of determining, and the providing step may be repeated until the power quotient reaches a maximum , The wind speed can be understood as meaning a value representing a speed of the wind in the area of the wind turbine. Advantageously, the pitch angles can be optimized in a partial load range for increased yield. A quotient of the actual power and a theoretical power of the wind turbine determined using the wind speed can be optimized. In this case, for example, a hill climbing algorithm can be used.
Günstig ist es auch, wenn in einem Schritt des Mittelns die im Schritt des Einlesens eingelesene Mehrzahl von Blattlastsignalen gemittelt werden, um eine Mehrzahl von gemittelten Blattlastsignalen zu erhalten und ergänzend oder alternativ die Information über die Windgeschwindigkeit und die Information über die tatsächliche Leistung der Windkraftanlage gemittelt werden, um eine Information über eine gemittelte Windgeschwindigkeit und eine Information über eine gemittelte tatsächliche Leistung zu erhalten. In dem folgenden Schritt des Ermittelns und ergänzend oder alternativ der weitere Schritt des Ermittelns können unter Verwendung der Mehrzahl der gemittelten Blattlastsignale und ergänzend oder alternativ der Information über eine gemittelte Windgeschwindigkeit und ergänzend oder alternativ der Information über eine gemittelte tatsächliche Leistung die Mehrzahl von Korrekturwinkeln und ergänzend oder alternativ den Leistungsquotienten ermittelt werden. Durch einen Schritt des Mittelns können kurzfristige Schwankungen ausgeglichen werden. So können im Schritt des Einlesens die Mehrzahl von Blattlastsignalen, die Windgeschwindigkeit und die Information über die tatsächliche Leistung über einen vordefinierten Zeitraum eingelesen werden und gemittelte Werte über den vordefinierten Zeitraum bestimmt werden. Der vordefinierte Zeitraum kann beispielsweise eine Minute, insbesondere 5 Minuten oder besonders vorteilhaft 10 Minuten betragen. Dabei sind auch Zeiträume unterschiedlicher beziehungsweise variierender Dauer nutzbar. It is also favorable if, in a step of averaging, the plurality of sheet load signals read in the step of reading are averaged to obtain a plurality of averaged sheet load signals and additionally or alternatively averaged the wind speed information and the actual wind turbine power information to obtain information about an average wind speed and an average actual power information. In the following step of determining and additionally or alternatively the further step of determining, using the plurality of averaged sheet load signals and additionally or alternatively the information on an average wind speed and additionally or alternatively the information on an average actual power, the plurality of correction angles and or alternatively the performance quotient can be determined. By a step of averaging short-term fluctuations can be compensated. Thus, in the read-in step, the plurality of leaf load signals, the wind speed, and the actual power information may be read in over a predefined period of time, and averaged values may be determined over the predefined time period. The predefined period can be, for example, one minute, in particular 5 minutes or particularly advantageously 10 minutes. It also periods of different or varying duration can be used.
Im Schritt des Einlesens kann eine Information über eine Leistung zumindest einer weiteren Windkraftanlage eingelesen werden, wobei im Schritt des Ermittelns die Mehrzahl von Korrekturwinkeln unter Verwendung der Information über die Leistung der weiteren Windkraftanlage ermittelt werden kann. Vorteilhaft können weitere Signale beziehungsweise Informationen für eine Optimierung verwendet werden. Dabei können Unsicherheiten eines einzelnen Sensorsignals ausgeglichen werden. Auch kann ein eventuell ausfallendes Sensorsignal kompensiert werden. In the read-in step, information about a power of at least one further wind turbine can be read in, wherein in the step of determining the plurality of correction angles can be determined using the information about the power of the further wind turbine. Advantageously, further signals or information can be used for optimization. In this case, uncertainties of a single sensor signal can be compensated. Also, a possibly failing sensor signal can be compensated.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a device that is designed to implement or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces have their own, integrated Circuits are or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
Vorteilhaft können die Stromgestehungskosten an Windkraftanlagen reduziert werden. Aerodynamische Unwuchten des Rotors können vorteilhaft verkleinert werden. Dadurch können die Belastungen an der Windkraftanlage sinken, die Lebensdauer kann steigen und Wartungskosten können vermieden werden. In einer Ausführungsform kann die Leistung im Teillastbereich maximiert werden, sodass der Energieertrag steigt. Vorteilhaft können gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung Installationskosten gesenkt werden, da eine exakte Justierung der Pitchwinkel der Rotorblätter bei der Montage nicht erforderlich ist, sondern anschließend im Betrieb vorgenommen werden kann. Advantageously, the electricity production costs can be reduced at wind turbines. Aerodynamic imbalances of the rotor can be advantageously reduced. As a result, the loads on the wind turbine can decrease, the service life can rise and maintenance costs can be avoided. In one embodiment, the power can be maximized in the partial load range, so that the energy yield increases. Advantageously, installation costs can be reduced according to one aspect of the present invention, since an exact adjustment of the pitch angle of the rotor blades during assembly is not required, but can then be carried out during operation.
Die Pitchwinkel der Rotorblätter können um konstante Offsets verändert werden, die in kleinen Schritten angepasst werden. Die Auslegung der Pitchantriebe und Blattlager kann unverändert beibehalten werden. Die Sensorik zur Messung der Windgeschwindigkeit kann auf der Gondel bereits vorhanden sein. Auch eine Messung der Leistung der Windkraftanlage kann bereits vorhanden sein. The pitch angles of the rotor blades can be changed by constant offsets, which are adjusted in small steps. The design of the pitch drives and blade bearings can be maintained unchanged. The sensors for measuring the wind speed can already be present on the nacelle. Also, a measurement of the performance of the wind turbine can already be present.
Eine Sensorik zu Messung der Blattbelastung kann nachgerüstet werden. Die Anforderungen an die Lebensdauer der Blattsensoren können aber gering sein. Die Optimierung der Pitchwinkel kann während der ersten Betriebsmonate der Windkraftanlage erfolgen. Fällt anschließend ein Sensor aus, kann die regelmäßige Nachkalibrierung nicht durchgeführt werden. Trotzdem kann die Windkraftanlage weiter betrieben werden. Ein Austausch der Sensoren kann dann beispielsweise bei der nächsten regulären Wartung durchgeführt werden. A sensor for measuring the sheet load can be retrofitted. The demands on the life of the sheet sensors can be low. The optimization of the pitch angle can be done during the first months of operation of the wind turbine. If a sensor subsequently fails, regular recalibration can not be carried out. Nevertheless, the wind turbine can continue to operate. An exchange of the sensors can then be carried out, for example, at the next regular maintenance.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. The same or similar elements may be provided in the following figures by the same or similar reference numerals. Furthermore, the figures of the drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. It is clear to a person skilled in the art that these features are also considered individually or that they can be combined to form further combinations not explicitly described here.
Der Windkraftanlage
Ein Aspekt der Vorrichtung
Die Vorrichtung
Für Windkraftanlagen
In einem Ausführungsbeispiel werden zur Messung der Belastung der Rotorblätter
In dem in
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung
In einem Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle
Optional ist die Schnittstelle
Die in
In einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
Zum Bestimmen eines Ausgleichs der unterschiedlichen aerodynamischen Eigenschaften wird für jedes Rotorblatt die mittlere Blattauslenkung in Schlagrichtung während einer Rotorumdrehung bestimmt oder alternativ die mittlere Blattbelastung während einer Rotorumdrehung. Anschließend wird die mittlere Belastung der drei Rotorblätter verglichen. Die Pitchwinkel der Rotorblätter werden dann so um kleine Offsets korrigiert, dass sich die mittlere Blattbelastung der drei Blätter angleicht. Dies ist durch eine Online-Optimierung möglich. Die Offsets werden dabei so berechnet, dass die Summe der Offsets null ergibt, sodass sich der über die drei Rotorblätter gemittelte Pitchwinkel nicht ändert. For determining a balance of the different aerodynamic properties, for each rotor blade the mean blade deflection in the direction of impact during one rotor revolution is determined, or alternatively the average blade load during one rotor revolution. Then the average load of the three rotor blades is compared. The pitch angles of the rotor blades are then corrected by small offsets to equalize the mean blade load of the three blades. This is possible through online optimization. The offsets are calculated so that the sum of the offsets is zero, so that the pitch angle averaged over the three rotor blades does not change.
Das Verhalten der Vorrichtung
Initialisiere k (sinnvoller Wert angepasst an die gemessene Belastungsgröße).
Initialisiere Pitchoffsets P1 = 0; P2 = 0; P3 = 0;
Initialisiere O1_alt = 0;
Sprungmarke X;
Messe mittlere Belastung der Rotorblätter M1, M2, M3 während einer Rotorumdrehung
Berechnung mittlere Belastung der drei Blätter:
M = (M1 + M2 + M3)/3;
Berechne Belastungsoffsets:
O1 = M1 – M;
O2 = M2 – M;
O3 = M3 – M;
Verkleinern der Schrittweite bei Vorzeichenwechsel.
WENN sign(O1) != sign(O1_alt): k = k/2
O1_alt = O1;
WENN k < Schwellwert: Beende die Optimierung
Berechne neue Pitchoffsets
P1 = P1 + k·O1;
P2 = P2 + k·O2;
P3 = P3 + k·O3;
Addiere die berechneten Offsets zu den von der Betriebsführung vorgegebenen
Sollpitchwinkeln;
Springe zu Sprungmarke X. The behavior of the
Initialize k (meaningful value adjusted to the measured load size).
Initialize pitchoffset P1 = 0; P2 = 0; P3 = 0;
Initialize O1_alt = 0;
Jump label X;
Mass medium load of the rotor blades M1, M2, M3 during one rotor revolution
Calculation average load of the three leaves:
M = (M1 + M2 + M3) / 3;
Calculate stress offsets:
O1 = M1 - M;
O2 = M2 - M;
O3 = M3 - M;
Reduce the step size at sign change.
IF sign (O1)! = Sign (O1_old): k = k / 2
O1_old = O1;
IF k <Threshold: Finish the optimization
Calculate new pitchoffsets
P1 = P1 + k · O1;
P2 = P2 + k · O2;
P3 = P3 + k × O3;
Add the calculated offsets to those specified by the operations management
Should pitch angles;
Jump to jump label X.
Beispiel: Example:
- P1 = P2 = P3 = 0; P1 = P2 = P3 = 0;
- k = 0,01; k = 0.01;
Für die drei Rotorblätter wird eine mittlere Belastung während einer Rotorumdrehung von 130, 80 und 90 (Einheit Nm bei Biegemoment, m bei Blattauslenkung) ermittelt. For the three rotor blades an average load is determined during a rotor revolution of 130, 80 and 90 (unit Nm at bending moment, m at blade deflection).
Die mittlere Belastung liegt also bei M = (130 + 80 + 90)/3 = 100; The mean stress is thus at M = (130 + 80 + 90) / 3 = 100;
Das Ziel ist nun, dass alle drei Rotorblätter die gleiche Belastung aufweisen. Dazu wird der Belastungsoffset für jedes Rotorblatt berechnet:
O1 = 130 – 100 = 30;
O2 = 80 – 100 = –20;
O3 = 90 – 100 = –10; The goal is now that all three rotor blades have the same load. For this purpose, the load offset is calculated for each rotor blade:
O1 = 130-100 = 30;
O2 = 80-100 = -20;
O3 = 90 - 100 = -10;
Die Pitchwinkel-Offsets berechnen sich nun zu:
P1 = P1 + k·O1 = 0,3;
P2 = P2 + k·O2 = –0,2;
P3 = P3 + k·O3 = –0,1; The pitch angle offsets are now calculated as:
P1 = P1 + k · O1 = 0.3;
P2 = P2 + k · O2 = -0.2;
P3 = P3 + k × O3 = -0.1;
Das heißt, an Rotorblatt 1 wird der Pitchwinkel um 0,30 erhöht, dadurch sinkt die Belastung. An Rotorblatt 2 und 3 wird der Pitchwinkel um 0,20 bzw. 0,10 verringert, sodass dort die Belastung steigt. Die Summe über alle Pitchwinkel-Offsets beträgt 0, sodass die drei Blätter im Mittel beim selben Pitchwinkel stehen bleiben. Dadurch hat diese Korrektur keinen Einfluss auf die Betriebsführung. That is, on
Die hier beschriebene Optimierung ist als Beispiel anzusehen, es sind auch andere Verfahren zu Bestimmung der Pitch-Offsets möglich. Die so gefundenen Pitch-Offsets korrigieren vollständig die aerodynamischen Unterschiede, welche durch die verschiedenen Rotorblattgeometrien hervorgerufen wird. Das mit Hilfe des Pseudo-Codes beschriebene Programm kann beispielsweise täglich durchlaufen werden oder kontinuierlich betrieben werden, wobei dann eine Untergrenze für k gesetzt werden muss und k wieder vergrößert werden sollte, wenn sehr große Offsets auftreten. Durch den regelmäßigen beziehungsweise kontinuierlichen Betrieb können auch Änderungen der aerodynamischen Eigenschaften durch Eisansatz oder Blattalterung ausgeglichen werden. The optimization described here is to be considered as an example, other methods for determining the pitch offsets are possible. The pitch offsets thus found completely correct the aerodynamic differences caused by the different rotor blade geometries. For example, the program described with the aid of the pseudo-code may be run through daily or operated continuously, in which case a lower limit for k must be set and k should be increased again if very large offsets occur. Due to the regular or continuous operation also changes in the aerodynamic properties can be compensated by ice accumulation or leaf aging.
Zur Maximierung des Ertrags im Teillastbereich wird in einem Ausführungsbeispiel eine Optimierung der Pitchwinkel im Teillastbereich für einen maximalen Ertrag durchgeführt. Dazu werden die Windgeschwindigkeit auf der Gondel, die Leistung der Windkraftanlage und die mittlere Rotorblattbelastung der drei Blätter gemessen. Diese Werte werden jeweils über ein Zeitintervall, beispielsweise 10 Minuten, gemittelt anschließend wird der Quotient aus gemittelter Leistung und theoretischer Leistung bestimmt und dieser durch Variation des Pitchwinkels durch einen Optimierer maximiert. In order to maximize the yield in the partial load range, an optimization of the pitch angle in the partial load range for a maximum yield is performed in one exemplary embodiment. For this purpose, the wind speed on the nacelle, the performance of the wind turbine and the average rotor blade load of the three blades are measured. These values are each averaged over a time interval, for example 10 minutes, then the quotient of average power and theoretical power is determined and this is maximized by varying the pitch angle by an optimizer.
Das Verhalten der Vorrichtung
Initialisiere P = 0;
Initialisiere pStep = 0,1;
Initialisiere q_alt = 0;
Messung über Zeitintervall, beispielsweise 10 Minuten, und Speicherung in Tabelle:
- – Windgeschwindigkeit V (Gondelanemometer)
- – Leistung P
P_theoretisch = n·v3 (Proportionalitätskonstante mal Windgeschwindigkeit hoch drei).
WENN Messintervall gültig (Anlage war durchgehend im Betrieb und immer im Teillastbereich):
Berechne mittlere Leistung Pm durch Mittelung der Tabelleneinträge.
Berechne mittlere theoretische Leistung Ptm durch Mittelung der Tabelleneinträge.
Berechne Quotient q = Pm/Ptm;
WENN q > q_alt:
P = P + pStep; % weiter in die gleiche Richtung
q_alt = q;
WENN q < q_alt:
P = P – pStep; % zurück zum letzten, besseren Wert
pStep = –pStep/2; % Schrittweite halbieren, Richtung ändern
P = P + pStep; % andere Richtung mit kleinerer Schrittweite testen
WENN pStep < 0,001: Optimierung beendet. The behavior of the
Initialize P = 0;
Initialize pStep = 0.1;
Initialize q_alt = 0;
Measurement over time interval, for example 10 minutes, and storage in table:
- - wind speed V (gondola anemometer)
- - Power P
P_theoretical = n · v 3 (proportionality constant times wind speed high three).
IF measuring interval is valid (system was continuously in operation and always in the partial load range):
Calculate mean power Pm by averaging the table entries.
Calculate mean theoretical power Ptm by averaging the table entries.
Calculate quotient q = Pm / Ptm;
IF q> q_old:
P = P + p Step; % continue in the same direction
q_old = q;
IF q <q_old:
P = P - pStep; % back to the last, better value
pStep = -pStep / 2; Halve% step size, change direction
P = P + p Step; % test other direction with smaller increment
IF pStep <0,001: optimization finished.
Addiere P zu dem von der Betriebsführung vorgegebenen Sollpitchwinkel an allen drei Rotorblättern und beginne wieder mit Messung. Add P to the target pitch angle given by the operations management on all three rotor blades and start measuring again.
Ein durch den vorstehenden Pseudo-Code beschriebenes Programm implementiert den sogenannten Hill-Climbing-Algorithmus. Es kann verbessert werden, indem nicht nur die Leistung als Optimierungsziel herangezogen wird, sondern auch die Blattbelastung und damit die aerodynamischen Kräfte im Teillastbereich maximiert werden. Außerdem ist es möglich, weitere Daten mit in die Optimierung einzubeziehen, beispielsweise die Messung der Windgeschwindigkeit vor der Anlage durch LIDAR oder einen Messmast. Auch die Leistung an benachbarten Anlagen in einem Windpark kann mit in die Berechnung aufgenommen werden. Durch die Mittelung über lange Zeitintervalle (beispielsweise 5 bis 10 Minuten) wird der kurzfristige Einfluss von Turbulenzen und Böen herausgemittelt. Die gemessene Windgeschwindigkeit auf der Gondel ist durch den Einfluss des Rotors fehlerbehaftet. Die daraus berechnete theoretische Leistung muss vom Absolutwert her aber nicht richtig sein, da sie nur als Vergleichsbasis dient und durch den Algorithmus der Quotient aus tatsächlicher Leistung zu theoretischer Leistung maximiert wird. Dieses Programm sollte ebenfalls regelmäßig ausgeführt werden. A program described by the above pseudo-code implements the so-called hill-climbing algorithm. It can be improved by not only using performance as an optimization target, but also maximizing blade loading and hence aerodynamic forces in the part-load range. In addition, it is possible to include further data in the optimization, for example, the measurement of wind speed before installation by LIDAR or a measuring mast. The power at neighboring wind turbine plants can also be included in the calculation. Averaging over long time intervals (eg, 5 to 10 minutes) averages out the short term impact of turbulence and gusts. The measured wind speed on the nacelle is affected by the influence of the rotor error. However, the theoretical power calculated from this must not be correct in terms of the absolute value, since it serves only as a basis for comparison and the algorithm maximizes the quotient of actual power to theoretical power. This program should also be run regularly.
In einem Ausführungsbeispiel werden an die Pitchantriebe der Rotorblätter Sollpitchwinkel mit konstanten Offsets (bzw. zeitlich langsam variierende Offsets) geschickt. In one embodiment, target pitch angles with constant offsets (or temporally slowly varying offsets) are sent to the pitch drives of the rotor blades.
Die Blattwinkeldifferenz zwischen den Rotorblättern kann optisch vermessen werden. Dabei wird das nach unten zeigende Rotorblatt vom Turmfuß aus fotografiert und anschließend der Pitchwinkel der Blattspitze bestimmt. Diese Messung kann für alle drei Rotorblätter durchgeführt werden. Anschließend kann die Differenz der Pitchwinkel ausgeglichen werden, indem die Rotorblätter gelöst und um die entsprechenden Differenzen verdreht montiert werden. Alternativ können die berechneten Differenzen auch in der Betriebsführung der Windkraftanlage abgespeichert werden und bei der Berechnung der Soll-Pitchwinkel mit berücksichtigt werden. Durch diese Vorgehensweise wird der Pitchwinkel der Blattspitzen angeglichen. Vorteilhaft wird die Differenz der Pitchwinkel der einzelnen Rotorblätter im laufenden Betrieb unter Verwendung der in
Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen dargestellt, handelt es sich bei den im Schritt
Optional weist das Verfahren einen dem Schritt
Das Verfahren umfasst optional einen Schritt
In einem günstigen Ausführungsbeispiel weist das Verfahren einen weiteren Schritt
In einem optionalen Schritt
In einem besonderen Ausführungsbeispiel wird im Schritt
Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. The exemplary embodiments shown are chosen only by way of example and can be combined with one another.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100 100
- Windkraftanlage Wind turbine
- 102 102
- Vorrichtung zur Rotorblatteinstellung Device for rotor blade adjustment
- 104 104
- Rotor rotor
- 106 106
- Rotorblatt rotor blade
- 108 108
- Sensor sensor
- 110 110
- Blattlastsignal Journal load signal
- 112 112
- Pitchwinkel pitch angle
- 114 114
- Windsensor wind sensor
- 116 116
- Windgeschwindigkeit wind speed
- 220 220
- Schnittstelle zum Einlesen Interface for reading
- 222 222
- Einrichtung zum Ermitteln Device for determining
- 224 224
- Korrekturwinkel correction angle
- 226 226
- Einrichtung zum Bestimmen Device for determining
- 228 228
- Ausgabeschnittstelle Output interface
- 230 230
- Korrektursignal correction signal
- 232 232
- tatsächliche Leistung actual performance
- 234 234
- weitere Einrichtung zum Ermitteln further means for determining
- 236 236
- Optimierungseinrichtung optimizer
- 238 238
- Mittelungseinrichtung Averaging means
- 440 440
- Dehnmessstreifen Strain
- 542 542
- Laser laser
- 544 544
- Reflexionskeil reflectorized wedge
- 610 610
- Schritt des Einlesens Step of reading in
- 620 620
- Schritt des Ermittelns Step of determining
- 630 630
- Schritt des Bestimmens Step of determining
- 640 640
- Schritt des Bereitstellens Step of providing
- 650 650
- weiterer Schritt des Ermittelns further step of determining
- 660 660
- Schritt des Optimierens Step of optimizing
- 670 670
- Schritt des Mittelns Step of averaging
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