DE102014225502A1

DE102014225502A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102014225502A1
Application number: DE102014225502.3A
Authority: DE
Inventors: Günter Berger; Felix Hess; Andreas Vath
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Weidmueller Monitoring Systems GmbH
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2015-06-18
Also published as: WO2015091179A1

Abstract

Ein Verfahren zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage umfasst einen Schritt des Einlesens (601) eines ersten Beschleunigungssignals, das eine auf ein erstes Rotorblatt im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert und des Einlesens zumindest eines zweiten Beschleunigungssignals, das eine auf ein zweites Rotorblatt im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt des Einlesens (603) einer ersten Drehposition des ersten Rotorblatts und des Einlesens zumindest einer zweiten Drehposition des zweiten Rotorblatts sowie einen Schritt des Bestimmens (605) zumindest eines Anstellwinkels unter Verwendung des ersten Beschleunigungssignals, des zweiten Beschleunigungssignals, der ersten Drehposition und der zweiten Drehposition.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage.
Bei Windenergieanlagen mit horizontaler Achse und drei Rotorblättern wird durch synchrone Verstellung der Blattwinkel die Drehzahl oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit so geregelt, dass durch die Änderung des Anstellwinkels der aerodynamische Auftrieb und somit das Antriebsmoment in solcher Weise verändert wird, dass die Anlage im Bereich der Nenndrehzahl gehalten werden kann. Bei Windgeschwindigkeiten oberhalb der Abschaltegeschwindigkeit wird dieser Blattverstellmechanismus zudem als Bremse benutzt, indem die Blätter mit der Nase in den Wind gestellt werden, sodass der Rotor keine nennenswerten Antriebsmomente mehr liefert. Bei dieser kollektiven Blattverstellung ergeben sich aufgrund asymmetrischer aerodynamischer Lasten Nick- und Giermomente auf den Rotor. Die asymmetrischen Lasten entstehen z.B. durch Windscherungen in vertikaler Richtung (Grenzschichten), Gierwinkelfehler, Böen und Turbulenzen, Aufstauung der Strömung am Turm etc. Ein bekannter Ansatz, diese asymmetrischen aerodynamischen Lasten zu reduzieren, ist, den Anstellwinkel der Blätter individuell zu verstellen (engl.: Individual Pitch Control, IPC).
Beispielsweise kann das Rotor-Nickmoment M_D und das Rotor-Giermoment M_Q durch Sensoren erfasst werden, welche über Abstandsmessungen die durch die Belastungen auftretenden Verformungen von Anlagenteilen messen. Geeignet ist hierfür beispielsweise die Verformung der Hauptwelle.
Vor diesem Hintergrund wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage, weiterhin eine entsprechende Vorrichtung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Verfahren zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage umfasst die folgenden Schritte:
Einlesen eines ersten Beschleunigungssignals, das eine auf ein erstes Rotorblatt im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert und Einlesen zumindest eines zweiten Beschleunigungssignals, das eine auf ein zweites Rotorblatt im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert;
Einlesen einer ersten Drehposition des ersten Rotorblatts und Einlesen zumindest einer zweiten Drehposition des zweiten Rotorblatts; und
Bestimmen zumindest eines Anstellwinkels unter Verwendung des ersten Beschleunigungssignals, des zweiten Beschleunigungssignals, der ersten Drehposition und der zweiten Drehposition.
Die Beschleunigungssignale können direkt an den Rotorblättern erfasste Signale darstellen oder basierend auf an den Rotorblättern erfassten Signalen bestimmte Signale darstellen. Zum Erfassen solcher Signale können an den Rotorblättern angeordnete Beschleunigungssensoren verwendet werden. Die Drehpositionen können Winkelstellungen der Rotorblätter zu den Zeitpunkten des Auftretens der durch die Beschleunigungssignale dargestellten Beschleunigungen darstellen.
Die Drehpositionen der einzelnen Rotorblätter können dabei separat aus eigenen, den Rotorblättern zugeordneten Sensoren eingelesen werden. Die Drehpositionen können aber auch derart eingelesen werden, dass eine Drehposition des Rotors eingelesen wird und aus der Drehposition des Rotors die jeweiligen Drehpositionen der einzelnen Rotorblätter anhand von geometrischen Gegebenheiten bestimmt werden.
Ein Anstellwinkel kann beispielsweise einen Anstellwinkel für den Rotor oder einen individuellen Anstellwinkel für ein Rotorblatt darstellen. Der Anstellwinkel kann somit ein Anstellwinkel für den Rotor sein und kann als ein Raumzeiger eines rotorfesten Koordinatensystems aufgefasst werden, das sich mit der Rotorgeschwindigkeit des Rotors um die Rotorachse des Rotors dreht. Der zumindest eine Anstellwinkel kann einen Wert repräsentieren, basierend auf dem für jedes der Rotorblätter ein individueller Anstellwinkel bestimmt werden kann. Die individuellen Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter, auch individuelle Blattpitchwinkel genannt, können dabei direkt, beispielsweise unter Verwendung eines Regelverfahrens oder indirekt aus den Anstellwinkeln des Rotors bestimmt werden. Beispielsweise können die individuellen Anstellwinkel unter Durchführung einer Transformation, beispielsweise einer DQ-Transformation (direct-quadrature transformation), basierend auf dem Anstellwinkel für den Rotor bestimmt werden. Beispielsweise kann sich der Anstellwinkel für den Rotor aus einem Nick-Anstellwinkel und einem Gier-Anstellwinkel zusammensetzen. Der Anstellwinkel kann auch als Pitchwinkel bezeichnet werden. Es kann für jedes Rotorblatt der Windkraftanlage ein Beschleunigungssignal und eine Drehposition eingelesen werden. Bei einer Windkraftanlage mit drei Rotorblättern können somit drei Beschleunigungssignale und drei Drehpositionen eingelesen und zum Bestimmen des Anstellwinkels verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens zumindest ein Anstellwinkel für den Rotor bestimmt werden. Beispielsweise können als Anstellwinkel für den Rotor ein Nick-Anstellwinkel und eines Gier-Anstellwinkel für den Rotor bestimmt werden. Der Nick-Anstellwinkel und der Gier-Anstellwinkel können als Komponenten einer Vektordarstellung des Anstellwinkels für den Rotor aufgefasst werden.
Zusätzlich oder alternativ können im Schritt des Bestimmens individuelle Anstellwinkel für die Rotorblätter, beispielsweise ein individueller erster Anstellwinkel zum Einstellen des ersten Rotorblatts und ein individueller zweiter Anstellwinkel zum Einstellen des zweiten Rotorblatts bestimmt werden. Somit kann für jedes Rotorblatt ein eigener Anstellwinkel bestimmt werden. Das Verfahren eignet sich daher zur individuellen Pitchregelung.
Beispielsweise kann das Verfahren einen Schritt des Ermittelns eines individuellen ersten Anstellwinkels zum Einstellen des ersten Rotorblatts und zumindest eines individuellen zweiten Anstellwinkels zum Einstellen des zweiten Rotorblatts unter Verwendung des zumindest einen Anstellwinkels für den Rotor umfassen.
Im Schritt des Bestimmens des zumindest einen Anstellwinkels für den Rotor kann eine asymmetrische Beschleunigung des Rotors unter Verwendung des ersten Beschleunigungssignals, des zweiten Beschleunigungssignals, der ersten Drehposition und der zweiten Drehposition bestimmt werden. Der zumindest eine Anstellwinkel kann in diesem Fall unter Verwendung der asymmetrischen Beschleunigung des Rotors bestimmt werden. Die asymmetrische Beschleunigung kann als Vektor eines rotorfesten Koordinatensystems aufgefasst werden. Vorteilhafterweise kann der Anstellwinkel für den Rotor einfach aus der asymmetrischen Beschleunigung bestimmt werden.
Dazu kann der zumindest eine Anstellwinkel im Schritt des Bestimmens unter Durchführung eines Regelverfahrens bestimmt werden. Das Regelverfahren kann eine Minimierung der asymmetrischen Beschleunigung als Regelziel aufweisen. Dabei kann auf bekannte Regelverfahren zurückgegriffen werden. Vorteilhafterweise können auf diese Weise Lasten an der Windkraftanlage reduziert werden, ohne das es erforderlich ist, diese Lasten direkt zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Einlesens eine Querbeschleunigung eingelesen werden. Die Querbeschleunigung kann eine Beschleunigung eines Turmkopfs der Windkraftanlage quer zur Rotorachse repräsentieren. Im Schritt des Bestimmens kann dann der zumindest eine Anstellwinkel unter Verwendung der Querbeschleunigung bestimmt werden. Dadurch kann eine Anregung einer seitlichen Schwingung des Turms der Windkraftanlage vermieden werden.
Beispielsweise kann das Verfahren einen Schritt des Einlesens eines ersten Messsignals und eines weiteren ersten Messsignals umfassen, wobei die ersten Messsignale Beschleunigungssignale eines an dem ersten Rotorblatt angeordneten ersten einachsigen oder mehrachsigen Beschleunigungssensors repräsentieren. Ferner kann das Verfahren zumindest einen Schritt des Einlesens eines zweiten Messsignals und eines weiteren zweiten Messsignals umfassen, wobei die zweiten Messsignale Beschleunigungssignale eines an dem zweiten Rotorblatt angeordneten zweiten einachsigen oder mehrachsigen Beschleunigungssensors repräsentieren. Die Achsen der genannten einachsigen, oder mehrachsigen Beschleunigungssensoren können orthogonal zueinander und orthogonal zu einer Längserstreckungsrichtung des Rotorblatts an der Drehposition des jeweiligen Beschleunigungssensors stehen. Solche Messsignale können unter Verwendung bekannter Beschleunigungssensoren erfasst werden. Die Beschleunigungssensoren können beispielsweise je in etwa bei einem Drittel der Länge eines Rotorblatts angeordnet sein, also näher an der Rotorachse als an dem freien Ende eines Rotorblatts angeordnet sein. Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Bestimmens des ersten Beschleunigungssignals unter Verwendung der ersten Messsignale und des zweiten Beschleunigungssignals unter Verwendung der zweiten Messsignale umfassen. Somit ist es nicht erforderlich, dass die parallel zur Rotorachse wirkenden Beschleunigungen direkt gemessen werden.
Im Schritt des Bestimmens kann das erste Beschleunigungssignal ferner unter Verwendung eines aktuellen individuellen Anstellwinkels des ersten Rotorblatts, einer Drehrate um eine Sensorachse des ersten Beschleunigungssensors und einer Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmt werden. Entsprechend kann das zweite Beschleunigungssignal ferner unter Verwendung eines aktuellen individuellen Anstellwinkels des zweiten Rotorblatts, einer Drehrate um eine Sensorachse des zweiten Beschleunigungssensors und einer Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmt werden. Unter Kenntnis der individuellen Anstellwinkel können aufgrund einer Durchbiegung eines Rotorblattes auftretende Verfälschungen von gemessenen Beschleunigungen korrigiert werden.
Eine Vorrichtung zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage weist die folgenden Schritte auf:
eine Einleseeinrichtung zum Einlesen eines ersten Beschleunigungssignals, das eine auf ein erstes Rotorblatt im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert und Einlesen zumindest eines zweiten Beschleunigungssignals, das eine auf ein zweites Rotorblatt im wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert;
eine Einleseeinrichtung zum Einlesen einer ersten Drehposition des ersten Rotorblatts und Einlesen zumindest einer zweiten Drehposition des zweiten Rotorblatts; und
eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen zumindest eines Anstellwinkels für den Rotor unter Verwendung des ersten Beschleunigungssignals, des zweiten Beschleunigungssignals, der ersten Drehposition und der zweiten Drehposition.
Die Einrichtungen der Vorrichtungen können ausgebildet sein, um die Schritte eines genannten Verfahrens zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors auszuführen.
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.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisch Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematisch Darstellung eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage mit einer Vorrichtung 100 zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors 102 der Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Windkraftanlage weist einen Turm mit einer Gondel auf. Die Gondel kann drehbar um eine Längsachse des Turms gelagert sein. Die Längsachse kann in vertikaler Richtung, in Richtung einer z-Achse, verlaufen. An der Gondel ist der Rotor 102 der Windkraftanlage angeordnet. Der Rotor 102 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel drei Rotorblätter auf. Der Rotor 102 ist drehbar um eine Rotorachse gelagert. Die Rotorachse kann in horizontaler Richtung, in Richtung einer x-Achse, verlaufen. Die Rotorachse kann senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Turms ausgerichtet sein. Der Rotor 102 ist, beispielsweise über eine Rotorwelle und/oder ein Getriebe, mit einem Generator gekoppelt. Eine Drehbewegung des Rotors 102 kann von dem Generator in elektrische Energie umgewandelt werden.
Durch auf den Rotor 102 einwirkenden Wind wird der Rotor 102 mit Kräften und Momenten beaufschlagt. Diese können beispielsweise ein Nick-Moment um eine Querachse des Turms, ein Gier-Moment um die Längsachse des Turms und Beschleunigungen der Gondel in horizontalen Richtungen, insbesondere in y-Richtung, bewirken.
Mittels geeigneter Messeinrichtungen können die auf den Rotor 102 wirkenden Kräfte und Beschleunigungen gemessen werden. Dazu können beispielsweise am Rotor 102 angeordnete Beschleunigungssensoren eingesetzt werden.
Die Vorrichtung 100 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel Schnittstellen zum Empfangen von Sensorsignalen der Messeinrichtungen oder von ausgewerteten Signalen einer vorgeschalteten Auswerteeinrichtung auf und ist ausgebildet, um basierend auf den Sensorsignalen eine Pitchregelung der Rotorblätter des Rotors 102 durchzuführen. Dazu kann die Vorrichtung 100 ausgebildet sein, um geeignete Steuersignale oder Stellgrößen zur Pitchregelung zu ermitteln und an Schnittstellen, beispielsweise zu Aktoren der Windkraftanlage, bereitzustellen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Rotors 102 einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 102 weist drei Rotorblätter 201, 202, 203 auf, die in gleichen Winkelabständen voneinander beabstandet sind. Der Rotor 102 um seine Rotorachse eine Drehbewegung durchführen. Eine Drehrate ω_r des Rotors 102 ist durch einen Pfeil angedeutet. Aktuelle Drehpositionen Ω₁, Ω₂, Ω₃oder Drehwinkel Rotorblätter 201, 202, 203 sind gezeigt. Die drei Rotorblätter 201, 202, 203 können jeweils um ihre Längsachse, die im Wesentlichen senkrecht zur Rotorachse ausgerichtet ist, gedreht werden. Entsprechende Anstellwinkel sind durch β₁, β₂, β₃ gekennzeichnet. Jedes Rotorblatt 201, 202, 203 weist einen Beschleunigungssensor 211, 212, 213 auf.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Windkraftanlage kann es sich beispielsweise um die in 1 gezeigte Windkraftanlage handeln, die einen Rotor aufweist, wie er beispielsweise in 2 gezeigt ist.
Die Vorrichtung 100 weist eine Einleseeinrichtung 310 zum Einlesen von Beschleunigungssignale a_x,1, a_x,2, a_x,3 und eine Einleseeinrichtung 312 zum Einlesen von Drehpositionen Ω₁, Ω₂, Ω₃der Rotorblätter auf. Bei den Beschleunigungssignalen a_x,1, a_x,2, a_x,3 handelt es sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel um Beschleunigungen in Schlagrichtung, als in x-Richtung der in 1 gezeigten Windkraftanlage. Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Bestimmungseinrichtung 314 auf, die ausgebildet ist, um aus den empfangenen Größen a_x,1, a_x,2, a_x,3, Ω₁, Ω₂, Ω₃ einen einzustellenden Anstellwinkel, hier einen Nick-Anstellwinkel β_D und einen Gier-Anstellwinkel β_Q des Rotors der Windkraftanlage zu bestimmen und bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung 314 ausgebildet, um den Anstellwinkel unter Verwendung eines Regelverfahrens zu bestimmen. Dazu kann die Bestimmungseinrichtung 314 ausgebildet sein, um zunächst eine asymmetrische Beschleunigung a_D, a_Q des Rotors zu bestimmen und basierend auf der asymmetrischen Beschleunigung a_D, a_Q die Anstellwinkel β_D, β_Q zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 eine optionale Einleseeinrichtung 318 auf, die ausgebildet ist, um eine Querbeschleunigung a_ss der Gondel der Windkraftanlage einzulesen. In diesem Fall ist die Bestimmungseinrichtung 314 ausgebildet, um den Anstellwinkel β_D, β_Q ferner unter Verwendung der Querbeschleunigung a_ss zu bestimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 eine optionale Einrichtung 316 auf, die ausgebildet ist, um basierend auf dem Nick-Anstellwinkel β_D und dem Gier-Anstellwinkel β_Q einzustellende individuelle Anstellwinkel β₁, β₂, β₃ der Rotorblätter zu bestimmen und bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 eine optionale Ermittlungseinrichtung 320 auf, die ausgebildet ist, um die Beschleunigungssignale a_x,1, a_x,2, a_x,3 basierend auf gemessenen Beschleunigungen a_x,1, a_y,1, a_x,2, a_y,2, a_x,3, a_y,3, der Rotorblätter und optional ferner basierend auf aktuellen individuellen Anstellwinkeln β₁, β₂, β₃ der Rotorblätter, Drehraten ω_s1, ω_s2, ω_s3, um Sensorachsen von Beschleunigungssensoren zum Erfassen der Beschleunigungen a_x,1, a_y,1, a_x,2, a_y,2, a_x,3, a_y,3 sowie einer Drehrate ω_r des Rotors zu bestimmen. Eine Sensorachse eines entsprechenden Beschleunigungssensors ist in 4 gezeigt.
Die Vorrichtung 100 oder Einrichtungen der Vorrichtungen 100 können als Pitchregler bezeichnet werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Windkraftanlage weist einen Rotor auf, wie er anhand der vorangegangenen Figuren beschrieben ist. Gezeigt ist ein Rotorblatt 201, das einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung a_x,1 aufweist. Eine Sensorachse des Beschleunigungssensors ist mit x‘ gekennzeichnet.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Rotorblatts 201 einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Rotorblatt 201 ist um einen Winkel β gegenüber einer Rotorebene 530 gekippt. Das Rotorblatt 201 weist einen Beschleunigungssensor 211 auf, der ausgebildet ist, um als erstes Messsignal die Beschleunigung a_x,b und als weiteres erstes Messsignal die Beschleunigung a_y,b zu erfassen, wobei b durch die Nummer des Rotorblatts 201, hier beispielsweise 1, ersetzt werden kann.
Im Folgenden wird anhand der vorangegangenen Figuren der erfindungsgemäße Ansatz näher beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ermöglicht der beschriebene Ansatz eine individuelle Pitchregelung einer Windkraftanlage mit Blattbeschleunigungssensoren 211, 212, 213.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Ansatz einen Regler und ein Messverfahren zur individuellen Pitchregelung von Rotorblättern 201, 202, 203 einer Windkraftanlage. Dabei kann mit Hilfe der Messdaten von Beschleunigungssensoren 211, 212, 213 in den Rotorblättern 201, 202, 203 ein IPC-Regler (IPC = Individual Pitch Control) angesteuert werden. Dabei kann mit den Beschleunigungsmesswerten a_x,1, a_x,2, a_x,3 bzw. a_x,1, a_y,1, a_x,2, a_y,2, a_x,3, a_y,3, selbst der IPC-Regler angesteuert werden. In der Messaufnahme folgt die Blattdurchbiegung der Beschleunigung mit ca. 180° Phasenversatz. Die Beschleunigung a_x,1, a_x,2, a_x,3 kann daher mit nur geringer Anpassung eines üblichen IPC-Reglerschemas direkt als Eingangsgröße bzw. Ist-Größe verwendet werden. Maßgeblich ist die Beschleunigung a_x,1, a_x,2, a_x,3 in Schlagbiegerichtung, d.h. in Richtung der Rotorachse. Bei einer Verstellung des Blattes 201, 202, 203 durch den Pitchantrieb kann eine Umrechnung der Sensordaten a_x,1, a_y,1, a_x,2, a_y,2, a_x,3, a_y,3 in die richtige Ebene erfolgen. Deshalb werden gemäß einem Ausführungsbeispiel zumindest 2-Achsen Sensoren 211, 212, 213 verwendet. Zusätzlich kann auch eine Turmanregungsfrequenz aus den Stellgrößen herausgefiltert werden.
Ein Ansatz, asymmetrischen aerodynamischen Lasten zu reduzieren, ist es, den Anstellwinkel der Blätter individuell zu verstellen (engl.: Individual Pitch Control, IPC). Dabei werden typischerweise Sensoren in oder an den Rotorblättern angebracht, um die Out-of-Plane Biegemomente M_y1, M_y2, M_y3 zu messen. Bei der Messung wird der Pitchwinkel β₁, β₂, β₃ der Blätter 201, 202, 203 mit berücksichtig, da am Blatt 201., 202, 203 die Schlag- und Schwenkbiegemomente gemessen werden, die dann mithilfe des Pitchwinkels β₁, β₂, β₃ in das Out-of-Plane Biegemoment umgerechnet werden, wie es in den 4 und 5 gezeigt ist. Aus den Out-of-Plane Biegemomenten werden dann das Nickmoment MD und Giermoment MQ des Rotors bestimmt, beispielsweise unter Durchführung einer inverse DQ-Transformation.
Für diese Rechnung wird die Drehposition Ω des Rotors gemessen werden, sodass die Positionen Ω1 = Ω, Ω2 = Ω + S/3, Ω3 = Ω + 2π/3 der drei Rotorblätter 201, 202, 203 berechnet werden kann.
Nick- und Giermoment dienen dann als Regelgrößen für den individuellen Pitchregler K zur Berechnung eines Nick-Pitchwinkels E_D und einem Gier-Pitchwinkel E_Q.
Dabei soll die Anregung einer seitlichen Turmschwingung verhindert werden, indem beim Reglerentwurf zusätzlich das Ziel der aktiven seitlichen Turmschwingungsdämpfung berücksichtigt wird und der Regler als weitere Messgröße die seitliche Turmkopfbeschleunigung a_SS erhält.
Aus dem so berechneten Nick- und Gierpitchwinkel können nun die individuellen Pitchoffsets für die drei Rotorblätter 201, 202, 203 bestimmt werden (DQ-Transformation).
Das Regelziel bei ist es dabei, das Nick- und Giermoment des Rotors auf null auszuregeln. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein kostengünstiges Messverfahren für die individuelle Pitchregelung zur Verfügung gestellt. Dabei kann ein bekanntes Regelziel an ein neues Messverfahren angepasst werden.
Der beschriebene Ansatz basiert gemäß einem Ausführungsbeispiel auf der Verwendung von Beschleunigungssensoren 211, 212, 213 in den Rotorblättern 201, 202, 203, beispielsweise bei 1/3 Blattlänge, welche mindestens die Beschleunigung a_x,1, a_x,2, a_x,3 in Schlagrichtung messen, besser in allen drei Raumrichtungen. Weitere Vorteile können sich ergeben, wenn zusätzlich die Drehraten um eine oder mehrere Raumachsen gemessen werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in einem angepassten Regelungsverfahren das Regelziel, die asymmetrische Nick- und Gierbeschleunigung a_D, a_Q auszuregeln. Damit werden indirekt die Lasten an der Anlage minimiert, ohne dass diese direkt gemessen werden müssen.
Asymmetrische Lasten entstehen an der Windkraftanlage aufgrund von aerodynamischen Lasten an den Rotorblättern 201, 202, 203. Es ist deshalb vorteilhaft, die Belastung der Blätter 201, 202, 203 direkt zu messen. Eine indirekte Messung der Lasten, beispielsweise über Verformungen der Hauptwelle oder der Gondel, kann die Lasten nur für niedrige Frequenzen wiedergeben, da hochfrequente Lasten an den Blättern 201, 202, 203 durch die mechanische Übertragung eine Art von Tiefpassfilterung erleben. Eine hochdynamische Regelung ist aber auch auf die höheren Frequenzen im Messsignal angewiesen.
Aus diesem Grund werden Belastungssensoren an den Rotorblättern 201, 202, 203 eingesetzt. Es kann beispielsweise die Dehnung an den Blattwurzeln gemessen und daraus die Blattwurzelbiegemomente bestimmt werden. Aus den Biegemomenten kann dann direkt das Nick- und Giermoment des Rotors berechnet werden. Aufgrund der hohen Dehnungen, die an den Blattwurzeln auftreten und der hohen Anzahl von Lastwechseln (10⁸ Umdrehungen des Rotors innerhalb von 20 Jahren), können keine elektrischen Dehnmessstreifen (DMS) verwendet werden. Diese haben oft nur eine Lebensdauer von 10⁶ Lastwechseln und können bei hohen Dehnungen zerstört werden. Aus diesem Grund können optische Dehnmesssensoren eingesetzt werden. Diese verwenden Bragg-Gitter in Glasfasern zur Messung der Dehnung der Faser. Diese Sensoren führen zu hohen Kosten für die Auswertung der optischen Dehnungssignale und erfordern Aufwand, um einen Temperaturdrift zu kompensieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können Beschleunigungssensoren 211, 212, 213 eingesetzt werden, die kostengünstig verfügbar sind. Solche Beschleunigungssensoren 211, 212, 213 können bei ca. 1/3 der Rotorblattlänge, also beispielsweise zwischen einem Viertel und der halben Rotorblattlänge, ausgehend von der Blattwurzel, montiert werden. An dieser Position besteht eine gewisse Gefahr von Blitzschlägen. Durch eine ausreichende Schirmung von Gehäuse und Kabel können Schäden aber verhindert werden.
Aus den drei gemessenen Beschleunigungen in Schlagrichtung ay1, ay2, ay3 wird die asymmetrische Beschleunigung des Rotors bestimmt:
Ein neu auszulegender individueller Pitchregler K hat als Regelziel, die asymmetrischen Beschleunigungen a_D, a_Q zu null zu regeln.
Dieser Ansatz besitzt den Vorteil, dass Beschleunigungen gemessen werden können, noch bevor sich die Lasten an der Blattwurzel maßgeblich verändern. Dadurch ist eine noch schnellere Reaktion des Reglers auf sich ändernde aerodynamische Lasten möglich.
Durch die dadurch höhere Reglerdynamik können seitliche Turmschwingungen angeregt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erhält der Regler deshalb als zusätzliches Regelziel die Aufgabe, seitliche Turmschwingungen aktiv zu dämpfen. Hierfür wird die seitliche Turmkopfbeschleunigung a_SS als Messgröße bereitgestellt, wie es in der oben genannten Formel bereits angegeben ist.
Ein geeignetes Verfahren zum Entwurf des Regler K ist beispielsweise der H-Unendlich Reglerentwurf (H-Infinity).
Aufgrund des Pitchwinkels β₁, β₂, β₃ der Rotorblätter 201, 202, 203 misst ein in den Blättern 201, 202, 203 angebrachter Beschleunigungssensor 211, 212, 213 nicht nur die aus der Rotorebene hinaus gerichtete Beschleunigungskomponente. Deshalb wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ein zweiachsiger Beschleunigungssensor verwendet und über den aktuellen Pitchwinkel β₁, β₂, β₃ auf die Beschleunigung a_x,1, a_x,2, a_x,3 aus der Rotorebene hinaus zurückgerechnet.
Dazu ist in 4 die schematische Darstellung einer Windkraftanlage mit der Position einer Schlagbiegemomentenmessung M_y1 nach dem Stand der Technik für die individuelle Pitchregelung gezeigt. Außerdem ist die Position des Beschleunigungssensors 211 bei ca. 1/3 Blattlänge eingezeichnet, welcher für die individuelle Pitchregelung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Aufgrund der Auslenkung des Rotorblattes 201 durch die Schubkraft wird der Sensor 211 leicht verdreht. Der lokale Biegewinkel kann bestimmt werden, indem die Drehrate um die Sensorachse x‘ gemessen wird. Durch einen Vergleich der so gemessenen Drehrate mit der bekannten Drehgeschwindigkeit des Rotors kann der lokale Biegewinkel bestimmt werden, denn es gilt: ω_s = ω_r cos α; mit der gemessen Drehrate Z_s, der bekannten Drehrate des Rotors Z_r und dem gesuchten lokalen Biegewinkel D.
Somit lassen sich die gemessenen Beschleunigungen a_x,1, a_y,1 um den lokalen Biegewinkel korrigieren.
Dazu zeigt 5 die gemessenen lokalen Beschleunigungen a_y,b und a_x,b, aus welchen die Beschleunigung a_xb, die aus der Rotorebene 530 hinaus gerichtet ist, gemäß der folgenden Formel berechnet werden kann. ax = a_x,b·cosβ + a_y,b·sinβ
Eine Umrechnung der am Rotorblatt 201 gemessenen Schlagbiegemoment M_y,b und Schwenkbiegemomente M_x,b in das Out-of-Plane Biegemoment gemäß dem Stand der Technik erfolgt auf analoge Weise: M_y = M_x,b cosβ M_y,b sinβ
Durch den beschriebenen Ansatz kann auf eine anderweitige Lastmessung verzichtet werden. Die Verwendung der individuellen Pitchregelung ermöglicht näherungsweise sinusförmiger Pitchwinkelverläufe während der Drehung des Rotors.
Vorteilhafterweise kann für den beschriebenen Ansatz einer IPC-Regelung auf Beschleunigungssensoren 211, 212, 213 in den Rotorblättern 201, 202, 203 zurückgegriffen werden, die auch für die Eiserkennung mittels Eigenfrequenzmessung an den Rotorblättern 201, 202, 203 verwendet werden können.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Pitchregelung der Rotorblätter eines Rotors einer Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren kann beispielsweise im Zusammenhang mit der in 1 gezeigten Vorrichtung ausgeführt werden.
In einem Schritt 601 werden Beschleunigungssignale eingelesen, die auf einzelne Rotorblätter des Rotors in Schlagrichtung wirkende Beschleunigungen repräsentieren. In einem Schritt 603 werden Drehpositionen der Rotorblätter eingelesen, sodass die über die Beschleunigungssignale übermittelten Beschleunigungswerte Drehpositionen der Rotorblätter zugeordnet werden können. In einem Schritt 605 wird ein Anstellwinkel für den Rotor oder Anstellwinkel für die Rotorblätter unter Verwendung der Beschleunigungssignale und der Drehpositionen bestimmt.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung
102: Rotor
201: Rotorblatt
202: Rotorblatt
203: Rotorblatt
211: Beschleunigungssensor
212: Beschleunigungssensor
213: Beschleunigungssensor
β₁: individueller Anstellwinkel
β₂: individueller Anstellwinkel
β₃: individueller Anstellwinkel
Ω₁: Drehposition
Ω₂: Drehposition
Ω₃: Drehposition
β_D: Nick-Anstellwinkel
β_Q: Gier-Anstellwinkel
310: Einleseeinrichtung
312: Einleseeinrichtung
314: Bestimmungseinrichtung
316: Einrichtung
318: Einleseeinrichtung
320: Ermittlungseinrichtung
a_x1: Beschleunigungssignal
a_x2: Beschleunigungssignal
a_x3: Beschleunigungssignal
a_ss: Querbeschleunigung
a_x,1: erstes Messsignal
a_y,1: weiteres erstes Messsignal
a_x,2: zweites Messsignal
a_y,2: weiteres zweites Messsignal
a_x,3: drittes Messsignal
a_y,3: weiteres drittes Messsignal
ω_s1: erste Drehrate
ω_s2: zweite Drehrate
ω_s3: dreitte Drehrate
ω_r: Drehrate des Rotors
x‘: erste Sensorachse
530: Rotorebene
601: Schritt des Einlesens
603: Schritt des Einlesens
605: Schritt des Bestimmens

Claims

Verfahren zur Pitchregelung der Rotorblätter (201, 202, 203) eines Rotors (102) einer Windkraftanlage, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einlesen (601) eines ersten Beschleunigungssignals (a_x1), das eine auf ein erstes Rotorblatt (201) im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert und Einlesen zumindest eines zweiten Beschleunigungssignals (a_x2), das eine auf ein zweites Rotorblatt (202) im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert; Einlesen (603) einer ersten Drehposition (Ω₁) des ersten Rotorblatts (201) und Einlesen zumindest einer zweiten Drehposition (Ω₂) des zweiten Rotorblatts (202); und Bestimmen (605) zumindest eines Anstellwinkels (β_D, β_Q;β₁, β₂, β₃) unter Verwendung des ersten Beschleunigungssignals (a_x1), des zweiten Beschleunigungssignals (a_x2), der ersten Drehposition (Ω₁) und der zweiten Drehposition (Ω₂).
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Bestimmens (605) zumindest ein Anstellwinkel (β_D, β_Q) für den Rotor (102), insbesondere ein Nick-Anstellwinkel (β_D) und eines Gier-Anstellwinkel (β_Q) für den Rotor (102) bestimmt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestimmens (605) ein individueller erster Anstellwinkel (β₁) zum Einstellen des ersten Rotorblatts (201) und ein individueller zweiter Anstellwinkel (β₂) zum Einstellen des zweiten Rotorblatts (202) bestimmt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestimmens (605) eine asymmetrische Beschleunigung (a_D, a_Q) des Rotors (102) unter Verwendung des ersten Beschleunigungssignals (a_x1), des zweiten Beschleunigungssignals (a_x2), der ersten Drehposition (Ω₁) und der zweiten Drehposition (Ω₂) bestimmt und der zumindest eine Anstellwinkel (β_D, β_Q; β₁, β₂, β₃) unter Verwendung der asymmetrischen Beschleunigung (a_D, a_Q) des Rotors (102) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem im Schritt des Bestimmens (605) der zumindest eine Anstellwinkel (β_D, β_Q; β₁, β₂, β₃) unter Durchführung eines Regelverfahrens bestimmt wird, wobei das Regelverfahren eine Minimierung der asymmetrischen Beschleunigung (a_D, a_Q) als Regelziel aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Einlesens (601) eine Querbeschleunigung (a_ss) eingelesen wird, die eine Beschleunigung eines Turmkopfs der Windkraftanlage quer zur Rotorachse repräsentiert, und bei dem im Schritt des Bestimmens (605) der zumindest eine Anstellwinkel (β_D, β_Q; β₁, β₂, β₃) unter Verwendung der Querbeschleunigung (a_ss) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Einlesens eines ersten Messsignals (a_x,1) und eines weiteren ersten Messsignals (a_y,1), wobei die ersten Messsignale (a_x,1, a_y,1) Beschleunigungssignale eines an dem ersten Rotorblatt (201) angeordneten ersten zweiachsigen Beschleunigungssensors (211) repräsentieren, zumindest einen Schritt des Einlesens eines zweiten Messsignals (a_x,2) und eines weiteren zweiten Messsignals (a_y,2), wobei die zweiten Messsignale (a_x,2, a_y,2) Beschleunigungssignale eines an dem zweiten Rotorblatt (202) angeordneten zweiten mehrachsigen Beschleunigungssensors (212) repräsentieren, und mit einem Schritt des Bestimmens des ersten Beschleunigungssignals (a_x1) unter Verwendung der ersten Messsignale (a_x,1, a_y,1) und des zweiten Beschleunigungssignals (a_x2) unter Verwendung der zweiten Messsignale (a_x,2, a_y,2).
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem im Schritt des Bestimmens das erste Beschleunigungssignal (a_x1) ferner unter Verwendung eines aktuellen individuellen Anstellwinkels (β₁) des ersten Rotorblatts (201), einer Drehrate (ω_s1) um eine Sensorachse (x‘) des ersten Beschleunigungssensors (211) und einer Drehgeschwindigkeit (ω_r) des Rotors (102) bestimmt wird und das zweite Beschleunigungssignal (a_x2) ferner unter Verwendung eines aktuellen individuellen Anstellwinkels (β₂) des zweiten Rotorblatts (202), einer Drehrate (ω_s2) um eine Sensorachse des zweiten Beschleunigungssensors (212) und der Drehgeschwindigkeit (ω_r) des Rotors (102) bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Einlesen (603) einer ersten Drehposition (Ω₁) des ersten Rotorblatts (201) und Einlesen zumindest einer zweiten Drehposition (Ω₂) des zweiten Rotorblatts (202) eine Drehposition des Rotors eingelesen wird und aus der Drehposition des Rotors die erste Drehposition (Ω₁) und die zweite Drehposition (Ω₂) anhand von geometrischen Gegebenheiten bestimmt wird.
Vorrichtung zur Pitchregelung der Rotorblätter (201, 202, 203) eines Rotors (102) einer Windkraftanlage, wobei die Vorrichtung die folgenden Schritte aufweist: eine Einleseeinrichtung (310) zum Einlesen eines ersten Beschleunigungssignals (a_x1), das eine auf ein erstes Rotorblatt (201) im Wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert und Einlesen zumindest eines zweiten Beschleunigungssignals (a_x2), das eine auf ein zweites Rotorblatt (202) im wesentlichen parallel zur Rotorachse wirkende Beschleunigung repräsentiert; eine Einleseeinrichtung (312) zum Einlesen einer ersten Drehposition (Ω₁) des ersten Rotorblatts (201) und Einlesen zumindest einer zweiten Drehposition (Ω₂) des zweiten Rotorblatts (202); und eine Bestimmungseinrichtung (314) zum Bestimmen zumindest eines Anstellwinkels (β_D, β_Q; β₁, β₂, β₃) unter Verwendung des ersten Beschleunigungssignals (a_x1), des zweiten Beschleunigungssignals (a_x2), der ersten Drehposition (Ω₁) und der zweiten Drehposition (Ω₂).
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Einlesevorrichtung (312) dazu ausgebildet ist, eine Drehposition des Rotors eingelesen und aus der Drehposition des Rotors die erste Drehposition (Ω₁) und die zweite Drehposition (Ω₂) anhand von geometrischen Gegebenheiten zu bestimmen.
Computer-Programmprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Programmprodukt auf einer Vorrichtung (104) gemäß Anspruch 10 oder 11 ausgeführt wird.