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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage, ein entsprechendes Steuergerät, eine Windenergieanlage und ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Bei einer Windenergieanlage beeinflussen vielerlei Faktoren die mechanische Belastung von Rotor, Gondel und Turm der Windenergieanlage. Um Belastungsspitzen zu reduzieren, kann regelnd in eine Verstellung eines Anstellwinkels der Rotorblätter eingegriffen werden.
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, eine Windenergieanlage mit einem solchen Steuergerät sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Dem vorgestellten Ansatz liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Rotor einer Windenergieanlage beziehungsweise Windkraftanlage mit einer resultierenden Schubkraft auf die Gondel und damit den Turm der Windenergieanlage einwirkt. Schwankungen dieser Gesamtkraft können Schwingungen am Turm hervorrufen. Durch den hier vorgestellten Ansatz wird die Gesamtkraft erfasst und in eine Regelung eines gemeinsamen Kollektivanteils der Anstellwinkel der Blätter einbezogen. Dadurch können Blatt- und Turmschwingungen der Windenergieanlage erheblich reduziert werden. Unabhängig von dem kollektiven Anteil können die Blätter in Ihrem Anstellwinkel individuell angesteuert werden.
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Es wird ein Verfahren zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bestimmen einer Rotorschubkraft des Rotors unter Verwendung von an den Blättern erfassten Biegemomenten, unter Verwendung von an den Blättern erfassten Beschleunigungen, und/oder unter Verwendung von an den Rotorblättern erfassten Drehraten; und
Ermitteln eines kollektiven Anstellwinkelanteils für die Blätter unter Verwendung der Rotorschubkraft.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät 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 des Steuergeräts 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.
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Weiterhin wird eine Windenergieanlage mit einem Steuergerät gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt.
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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.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Steuergeräts zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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2 ein Blockschaltbild eines Steuergeräts zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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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.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergeräts 100 zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Windenergieanlage 102 kann einen Rotor mit zumindest einem Rotorblatt, typischerweise mit drei Rotorblättern, aufweisen.
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Das Steuergerät 100 weist eine Einrichtung 104 zum Bestimmen und eine Einrichtung 106 zum Ermitteln auf. Die Einrichtung 104 zum Bestimmen ist dazu ausgebildet, eine Rotorschubkraft F des Rotors unter Verwendung von an den Blättern erfassten Biegemomenten Mx,i zu bestimmen. Die Einrichtung 106 zum Ermitteln ist dazu ausgebildet, einen kollektiven Anstellwinkelanteil β für die Blätter unter Verwendung der Rotorschubkraft F zu ermitteln.
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Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele kann die Einrichtung 106 zum Ermitteln beispielsweise dazu ausgebildet sein, den Anstellwinkelanteil β unter Verwendung einer Abweichung der Rotorschubkraft F von einem Schubkraftsollwert Fsoll für die Rotorschubkraft F zu ermitteln und/oder den Anstellwinkelanteil β unter Verwendung einer Last L der Windenergieanlage 102 und einer vorgegebenen Belastungsgrenze Lsoll der Windenergieanlage 102 zu ermitteln. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 106 ausgebildet, den Anstellwinkelanteil β unter Verwendung einer Drehzahl ω des Rotors und einer Solldrehzahl ωsoll der Windenergieanlage 102 zu ermitteln. Die Einrichtung 106 zum Ermitteln kann schließlich dazu ausgebildet sein, den Anstellwinkelanteil β unter Verwendung einer Turmkopfbeschleunigung ax zu ermitteln.
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Die Sollwerte ωsoll, Fsoll, Lsoll werden in einem Ausführungsbeispiel durch eine Anlagensteuerungsseinrichtung 108 der Windenergieanlage 102 vorgegeben.
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Mit anderen Worten zeigt 1 einen Signalflussplan der Drehzahl- und Turmkopfbeschleunigungsregelung zur Schubkraft- und Maximallastregelung in einer MIMO-Regler-Ausführung 106.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergeräts 100 zum Ansteuern einer Winkelverstellung für Blätter eines Rotors einer Windenergieanlage 102 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Steuergerät 100 entspricht im Wesentlichen dem Steuergerät in 1. Statt einem MIMO-Regler 106 werden diskrete Regler verwendet. Der Turmschwingungsregler Ka dient der Turmschwingungsdämpfung über einen Beschleunigungs-Pitchwinkel βa. Weiterhin weist das Steuergerät 100 einen Drehzahlregler KCPC zum Regeln der Rotordrehzahl über einen Pitchwinkel βCPC unter Verwendung der Solldrehzahl ωsoll auf. Ferner weist das Steuergerät 100 einen Schubkraftregler KF zum Regeln der Rotorschubkraft über einen Pitchwinkel βF unter Verwendung des Schubkraft-Sollwerts Fsoll auf. Schließlich weist das Steuergerät 100 einen Lastregler KL zum Regeln einer Belastung der Windkraftanlage über einen Pitchwinkel βL unter Verwendung der Belastungsgrenze Lsoll auf. Die Pitchwinkel βa, βCPC, βF und βL werden durch einen Addierer 200 zu dem Anstellwinkelanteil β zusammengefasst und für die Windenergieanlage 102 bereitgestellt.
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Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt ein Verfahren zum aktiven Dämpfen von Turmschwingungen und Blattschwingungen an einer Windkraftanlage 102 sowie zum aktiven Begrenzen einer Last L durch ein Messen einer Rotorblattbelastung Mx,i und einer kollektiven Pitchverstellung β.
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Bei einer Windenergieanlage 102 kann mittels einer Regelung der individuellen Pitchwinkel (Individual Pitch Control, individuelle Pitchregelung) der Rotorblätter eine möglichst gleichmäßige Rotorschubkraft F erzielt werden. Damit können Schwingungen des Turms vermieden oder gegebenenfalls auch gedämpft werden.
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Windkraftanlagen 102 verfügen über eine sogenannte kollektive Pitchregelung β. Dabei wird bei hohen Windgeschwindigkeiten der Pitchwinkel β der Rotorblätter kontinuierlich angepasst, um die Rotordrehzahl ω möglichst konstant zu halten. Durch eine Änderung des Pitchwinkels β der Rotorblätter wird aber nicht nur das Drehmoment des Rotors verändert, sondern auch die Schubkraft F, welche auf den Rotor wirkt. Durch diese Schubkraftänderung verändert sich die Auslenkung des Turmes in Windrichtung.
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Arbeitet nun die kollektive Pitchregelung im Bereich der Turmeigenfrequenz, so kann der Turm zu Schwingungen in Windrichtung angeregt werden. Diese Schwingungen führen zu Ermüdungslasten am Turm. Dieser wird so ausgelegt, dass er diesen Lasten standhalten kann. Um die Schwingung des Turms in Windrichtung zu reduzieren, wird an modernen Windkraftanlagen die Turmkopfbeschleunigung ax gemessen und dieses Signal mit in die Regelung der Anlage eingespeist. Dadurch kann die Turmkopfschwingung aktiv gedämpft werden, indem der kollektive Pitchwinkel β so angesteuert wird, dass die resultierende Änderung der Schubkraft F der momentan wirkenden Beschleunigung ax entgegen gerichtet ist.
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Eine Änderung der Schubkraft F am Rotor führt aber nicht nur zu einer Turmschwingung, sondern auch zu einer verringerten oder erhöhten Auslenkung jedes Rotorblattes in Windrichtung. Bei ungünstigen Verhältnissen können dadurch gekoppelte Blatt- und Turmschwingungen angeregt werden.
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An Windkraftanlagen 102 werden vermehrt Sensoren in den Rotorblättern installiert, um deren Belastung zu messen. Das gemessene Schlagbiegemoment My,i kann beispielsweise für eine individuelle Pitchregelung verwendet werden. Dabei wird der Pitchwinkel an jedem Rotorblatt während einer Rotorumdrehung individuell angepasst, so dass die Schlagbiegemomente My,i weniger stark schwanken.
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Es können die gemessenen Blattwurzelbiegemomente My,i aber auch verwendet werden, um das antreibende Drehmoment am Rotor zu bestimmen. Mit Hilfe dieses Messsignals lässt sich die Drehzahlregelung einer Windkraftanlage verbessern.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz werden die gemessenen Schlagbiegemomente My,i verwendet, um Turmschwingungen in Windrichtung, symmetrische Blattschwingungen und gekoppelte Blatt- und Turmschwingungen aktiv durch die kollektive Pitchregelung 100 zu dämpfen. Andererseits werden die gemessenen Blattwurzelbiegemomente My,i dazu verwendet, eine aktive Begrenzung der Belastung L der Windkraftanlage 102 zu realisieren. Dazu wird zusätzlich zum Regelziel „konstante Drehzahl" die kollektive Pitchregelung 100 um die Regelziele „konstante Schubkraft" und „Lastbegrenzung" ergänzt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird aus den an den Rotorblättern gemessenen Blattwurzelbiegemomenten My,i die auf die einzelnen Rotorblätter wirkende Schubkraft bestimmt und daraus die auf den Rotor wirkende Schubkraft F berechnet. Dieses Signal wird der kollektiven Pitchregelung 100 zur Verfügung gestellt. Diese regelt dann die Blattwinkel β aufgrund der Abweichung einer gemessenen Rotorschubkraft F von einer vorgegebenen Schubkraft Fsoll und der Überschreitung vorgegebener Belastungen Lmax an der Windenergieanlage 102 insbesondere den Rotorblättern und dem Turm. Die Schubkraft F und der Grad der Belastung L der Windenergieanlage 102 kann vorteilhaft aus den Blattwurzelbiegemomenten My,i bestimmt werden.
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An den Rotorblättern einer Windkraftanlage 102 können die Biegemomente My,i an der Blattwurzel beispielsweise durch Dehnmessstreifen oder faseroptische Sensoren (Fiber Bragg) gemessen werden. Damit ist für jedes Rotorblatt das Schlagbiegemoment My,i und das Schwenkbiegemoment Mx,i bekannt.
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Daraus kann das antreibende Moment des Rotors M berechnet werden. M = ΣM
x,i Die am Rotorblatt wirkende Schubkraft F lässt sich aus dem Schwenkbiegemoment M
y,i abschätzen.
wobei R den Radius des Rotors bezeichnet. Die Schubkraft F auf den Rotor ist dann F= ΣF
aero,i.
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An der Windkraftanlage 102 kann außerdem die Drehzahl ω und die Turmkopfbeschleunigung ax in Windrichtung gemessen werden. Für die Drehzahlregelung kann ein Regler KCPC verwendet werden, welcher den erforderlichen Pitchwinkel βCPC basierend auf dem Drehzahlfehler berechnet βCPC = KCPC(ω – ωsoll).
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Die Solldrehzahl ωsoll wird von der Anlagensteuerung 108 vorgegeben, je nachdem in welchem Betriebszustand sich die Anlage 102 befindet.
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Soll die Turmschwingung in Windrichtung aktiv gedämpft werden, so kann ein Turmschwingungsregler Ka verwendet werden, welcher einen zusätzlichen Pitchwinkel βa berechnet, um die Turmkopfbeschleunigung ax auf null zu regeln βa = Kaax.
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Der Pitchwinkel β an den Rotorblättern wird dann durch die Summe der beiden Teilpitchwinkel vorgegeben β = βCPC + βa. Die beiden Regler KCPC und Ka können durch verschiedene regelungstechnische Verfahren entworfen werden, sie lassen sich beispielsweise als PI-Regler auslegen.
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Der hier beschriebene Ansatz sieht nun die zusätzliche Berücksichtigung der Rotorschubkraft F durch die kollektive Pitchregelung 100 vor. Hierzu kann ein weiterer Regler KF eingesetzt werden, welcher die Rotorschubkraft F auf einen konstanten, von der Anlagensteuerung 108 vorgegebenen Wert regelt. Dadurch werden Schwankungen der Schubkraft F verringert und damit die Turmschwingung reduziert. βF = KF·(F – Fsoll)
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Der hier beschriebene Ansatz sieht darüber hinaus die Berücksichtigung von voreingestellten Belastungsgrenzen Lmax durch die kollektive Pitchregelung 100 vor. Hierfür kann ein Regler KL verwendet werden, der die Belastung L der Windenergieanlage 102 auf vorgegebene Werte Lmax regelt. Die Belastung L der Anlage 102, beispielsweise der Rotorblatter und des Turms, kann dadurch begrenzt werden. βL = KL·(L – Lmax)
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein sogenannter MIMO-Regler 100 (Multiple Input Multiple Output), wie er beispielsweise in 1 gezeigt ist, entworfen. Der MIMO-Regler 100 ist in der Lage mehrere Regelziele gleichzeitig zu berücksichtigen. Er berechnet dazu den erforderlichen Pitchwinkel β aus allen verfügbaren Messgrößen β = KKIMO·(ω, ax, F, L). Für den Entwurf eines solchen Reglers 100 kann beispielsweise das H-unendlich-Reglerentwurfsverfahren verwendet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt eine gezielte Gewichtung der Regelziele je nach Betriebszustand der Anlage 102 durch Adaption der Reglerparameter. Im Übergangsbereich zwischen Teillast und Volllast zeigt eine Windenergieanlage 102 typischerweise eine mit sich veränderndem Wind stärker schwankende Schubkraft F. Hier ist die Schubkrafteinhaltung stärker zu gewichten. Im Volllastbereich ist die Einhaltung der Drehzahl ω und abgegebenen Leistung wichtig, hier ist entsprechend die Drehzahleinhaltung höher zu gewichten.
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In weiteren Ausführungsformen kann der Rotorschub F aus anderen Messgrößen bestimmt werden, beispielsweise aus der Messung von Beschleunigungen oder Drehraten in den Rotorblattern oder aus Biegemomenten am Turmfuß.
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Mit anderen Worten zeigt 2 einen Signalflussplan der Drehzahl- und Turmkopfbeschleunigungsregelung zur Schubkraft- und Maximallastregelung in einer Ausführungsform als Einzelregler. Dabei wird die Rotorschubkraft F durch einen Schubkraftschätzer 104 bestimmt.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz können Blatt- und Turmschwingungen einer Windenergieanlage 102 erheblich reduziert werden.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
