DE102014226956A1

DE102014226956A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102014226956A1
Application number: DE102014226956.3A
Authority: DE
Inventors: Ltd. Kakuya Hiromu c/o Hitachi; Ltd. Kiyoki Souichiro c/o Hitachi; Ltd. Yoshida Shigeo c/o Hitachi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2015-07-02
Also published as: TWI554681B; TW201533316A; JP6165053B2; JP2015124736A

Abstract

Eine Windkraftanlage (1), bei der die Schwingung eines Turms (8) während der Energieerzeugung wirksam unterdrückt wird und die Materialermüdung des Turms reduziert ist, verfügt über eine ausgezeichnete Langlebigkeit. Darüber hinaus besitzt eine Windkraftanlage, bei der zusätzliche Kosten zur Verstärkung des Turms unterbunden sind, über eine hervorragende Wirtschaftlichkeit. Ein Turm (8) wird an Land oder auf dem Meer als Tragelement errichtet. Eine am Turm vorgesehene Gondel (6) umfasst einen Generator. Ein an einem Ende der Gondel vorgesehener Rotor (4) weist Blätter zum Aufnehmen von Wind und zum Umwandeln desselben in Rotationsenergie sowie eine Nabe auf. Eine Neigungswinkel-Erfassungseinheit erfasst die Neigung der Gondel. Eine im Blatt vorgesehene Anstellwinkel-Steuereinheit steuert den Anstellwinkel des Blatts in Bezug auf die Nabe auf der Grundlage des mit der Neigungswinkel-Erfassungseinheit erfassten Neigungswinkels der Gondel (6).

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein technisches Verfahren zum Reduzieren einer Turmschwingung an einer Windkraftanlage.
In den letzten Jahren wird aufgrund der Emission von Kohlendioxid und des Abbaus von fossilen Brennstoffen eine globale Erwärmung befürchtet, und es bestehen Erfordernisse in Bezug auf die Reduzierung der Kohlendioxidemissionen und die Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen. Um den Emissionsbetrag von Kohlendioxid zu reduzieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, ist es vorteilhaft, ein Energieerzeugungssystem einzuführen, das aus der Natur erhaltene, erneuerbare Energien, wie zum Beispiel Windkraft und Solarenergie, nutzt.
Unter den oben beschriebenen Energieerzeugungssystemen, die erneuerbare Energien nutzen, wird anders als ein Solarenergiesystem ein Windkraftsystem nicht durch eine direkte Leistungsabgabeänderung aufgrund solarer Strahlung beeinflusst, und als vergleichbar stabiles Energieerzeugungssystem zieht es die Aufmerksamkeit auf sich. Darüber hinaus erregt ein Windkraftsystem, das auf dem Meer errichtet ist, wo die Windgeschwindigkeit hoch und die Veränderung der Windgeschwindigkeit niedrig ist, im Vergleich zu einem Windkraftsystem an Land auch Aufmerksamkeit als nützliches Energieerzeugungssystem. Beim Bau eines Wind kraftsystems ist eine Einrichtung zum Unterdrücken der Schwingung eines Turms erforderlich, der das Windkraftsystem bildet. Der Grund hierfür lautet wie folgt. Ein Rotor, der mit Blättern und einer Nabe ausgebildet ist, mit der die Blätter verbunden sind, ist mit einer auf den Turm aufgesetzten Gondel verbunden. Bei einem Windkraftsystem, das zu einer Leistungsabgabe von einigen MW in der Lage ist, steht der Turm einige Meter hoch. Dementsprechend ändert sich bei einer Änderung der Windgeschwindigkeit, die der Rotor aufnimmt, die Kraft (das Moment), mit der bzw. dem der Turm beaufschlagt wird, stark und es tritt eine Schwingung am Turm auf. Die Akkumulierung einer Materialermüdung am Turm aufgrund der Schwingung kann die Lebensdauer des Turms herabsetzen.
Als Hintergrundtechnologie, die sich auf das vorliegende technische Gebiet bezieht, ist eine Technik bekannt, die zum Beispiel im japanischen Patent Nr. 4599350 offenbart ist. Das japanische Patent Nr. 4599350 offenbart eine Windkraftanlage mit einem Anstellwinkel-Steuermechanismus zum Steuern des Anstellwinkels eines Windturbinenblatts out der Grundlage eines Blattanstellwinkelbefehls. Die Windkraftanlage verfügt über einen an einer Gondel angebrachten Beschleunigungsmesser, der die Beschleunigung der Gondel erfasst; und über eine aktive Schwingungsdämpfungseinrichtung zum Berechnen eines Anstellwinkels des Windturbinenblatts out der Grundlage der mit dem Beschleunigungsmesser erfassten Beschleunigung, um eine Schubkraft am Windturbinenblatt zu erzeugen und so die Schwingung der Gondel auszugleichen, und zum Ausgeben eines Blattanstellwinkelbefehls an den Anstellwinkel-Steuermechanismus.
Im japanischen Patent Nr. 4599350 steuert die aktive Schwingungsdämpfungseinrichtung zum Unterdrücken der Schwingung des Turms eine an den Rotor angelegte Schubkraft, indem der Anstellwinkel des Blatts unter Ausnutzung des Ausgangssignals vom in der Gondel vorgesehenen Beschleunigungssensor gesteuert wird, und unterdrückt somit die Schwingung des Turms. Gemäß dem im japanischen Patent Nr. 4599350 beschriebenen technischen Verfahren ist es möglich, die Schwingung des Turms zu unterdrücken, indem ein virtueller Dämpfungsterm bereitgestellt wird, der der Geschwindigkeit der Schwingung des Turms entspricht.
Wenn die im japanischen Patent Nr. 4599350 offenbarte Technik jedoch auf ein schwimmendes Windkraftsystem angewendet wird, tritt das folgende Problem auf. Bei einem schwimmenden Windkraftsystem ist der Turmneigungswinkel gegenüber einem an Land errichteten Windkraftsystem erhöht. Für den Fall, dass ein Beschleunigungssensor verwendet wird, wird, wenn sich der Turmneigungswinkel erhöht, auch die schwerkraftbedingte Beschleunigung erfasst. Wenn der Blattanstellwinkelbefehlswert auf der Grundlage der Beschleunigung unter Einschluss des Einflusses der Schwerkraft bestimmt wird, besteht die Wahrscheinlichkeit, da die Komponente des Blattanstellwinkelbefehlswerts vorliegt, die anders als die Turmschwingung auf der Grundlage der Beschleunigung bestimmt wird, dass die Anstellwinkel der jeweiligen Blätter auf der Grundlage eines Blattanstellwinkelbefehls bestimmt werden, der sich von demjenigen des ursprünglichen Zwecks unterscheidet. Im Ergebnis ist es bei der im japanischen Patent Nr. 4599350 offenbarten Technik in manchen Fällen nicht möglich, die Schwingung des Turms in angemessener zu unterdrücken.
ZUSAMMENFASSUNG
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Windkraftanlage mit ausgezeichneter Langlebigkeit bereitzustellen, indem die Schwingungen eines Turms bei der Energieerzeugung wirksam unterdrückt werden, um die Materialermüdung des Turms zu reduzieren. Des Weiteren besteht eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Windkraftanlage mit ausgezeichneter Wirtschaftlichkeit bereitzustellen, indem zusätzliche Kosten für die Verstärkung des Turms vermieden werden.
Um die vorstehenden beschriebenen Probleme zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Windkraftanlage bereit, umfassend: einen Turm, der an Land oder auf dem Meer errichtet ist und als Tragelement der Windkraftanlage fungiert; eine auf dem Turm vorgesehene Gondel, die innen einen Generator aufweist; und einen Rotor, der an einem Ende der Gondel vorgesehen ist und mehrere Blätter zum Aufnehmen von Wind und zum Umwandeln des Winds in Rotationsenergie sowie eine Nabe aufweist. Die Windkraftanlage umfasst: eine Neigungswinkel-Erfassungseinheit, die die Neigung der Gondel erfasst; und/oder eine Anstellwinkel-Steuereinheit, die im Blatt vorgesehen ist und einen Abstellwinkel des Blatts in Bezug auf die Nabe steuert. Darüber hinaus steuert die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts auf der Grundlage des Neigungswinkels der Gondel, der mit der Neigungswinkel-Erfassungseinheit erfasst wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Windkraftanlage mit ausgezeichneter Langlebigkeit zu verwirklichen, indem die Schwingungen des Turms bei der Energieerzeugung wirksam unterdrückt werden, um so die Materialermüdung des Turms zu reduzieren. Weiterhin ist es möglich, eine Windkraftanlage mit ausgezeichneter Wirtschaftlichkeit zu realisieren, indem zusätzliche Kosten für eine Verstärkung des Turms vermieden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht eine schematische Konfiguration einer Windkraftanlage nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 veranschaulicht eine Gondel und einen Neigungswinkelsensor der Windkraftanlage nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Gondel der Windkraftanlage nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und der Verlagerung in Horizontalrichtung;
4 veranschaulicht schematisch die Gondel der Windkraftanlage gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und ein sekundäres Schwingungssystem, das an einem repräsentativen Punkt des Turms angenommen wird;
5 ist ein Blockschema, das eine schematische Systemkonfiguration der Windkraftanlage nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Blockschema, das ein erstes Beispiel für eine Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 ist ein Blockschema, das ein zweites Beispiel für die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist ein Blockschema, das ein drittes Beispiel für die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ist ein Blockschema, das ein Beispiel für eine Anstellwinkelbefehlswert-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Blockschema, das schematisch eine unabhängige Anstellwinkelabweichungs-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist ein Ablaufplan, der einen Berechnungsablauf einer Turmschwingungssteuerung an der Windkraftanlage gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 veranschaulicht eine schematische Anordnung der Windkraftanlage nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Verwindung und der Verlagerung in der Horizontalrichtung am Turm der Windkraftanlage gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ist ein Blockschema, das eine schematische Systemkonfiguration der Windkraftanlage gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ist ein Blockschema, das ein erstes Beispiel für die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 ist ein Blockschema, das ein zweites Beispiel für die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ist ein Blockschema, das ein drittes Beispiel für die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit der Windkraftanlage gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
18 ist ein Ablaufplan, der den Berechnungsablauf der Turmschwingungssteuerung an der Windkraftanlage gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mittels der Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
<Schematische Konfiguration der ersten Ausführungsform>
Zuerst wird mittels 1 eine schematische Konfiguration einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 1 zeigt eine schematische Konfiguration der gesamten Windkraftanlage 1 in der vorliegenden Ausführungsform. Die Windkraftanlage 1 verfügt über einen Rotor 4, der mit mehreren Blättern 2 und einer Nabe 3 ausgebildet ist, die die mehreren Blätter 2 verbindet. Der Rotor 4, der in der Figur zwar nicht gezeigt ist, ist über eine Drehwelle mit einem Ende einer Gondel 6 verbunden, und wenn er sich dreht, ändern sich die Positionen der Blätter 2. Wenn die Blätter 2 Wind aufnehmen, wird der Rotor 4 in Drehung versetzt, und obwohl in der Figur nicht gezeigt, wird ein in der Gondel 6 vorgesehener Generator in Drehung versetzt, und es wird elektrische Energie erzeugt. Jedes Blatt 2 ist mit einer Anstellwinkel-Steuereinheit versehen, d. h. einem Anstellaktuator 5, der eine Positionsbeziehung zwischen dem Blatt 2 und der Nabe 3, d. h. einen als Anstellwinkel bezeichneten Blattwinkel, steuern kann. Es ist möglich, die Rotationsenergie des dem Wind entgegenstehenden Rotors durch Änderung des Anstellwinkels des Blatts 2 mittels des Anstellaktuators 5 zu ändern. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die mit der Windkraftanlage 1 erzeugte elektrische Energie zu steuern, während die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 4 in einem breiten Windgeschwindigkeitsbereich gesteuert wird. Die Gondel 6 ist auf einem Turm 8 als Tragelement der Windkraftanlage 1 vorgesehen. Der Turm 8 ist, obwohl er in der Figur nicht explizit gezeigt ist, auf einem Fundament vorgesehen und in einer vorbestimmten Position an Land oder auf dem Meer errichtet. Die Windkraftanlage 1 weist ferner einen Neigungswinkelsensor 7 in der Gondel 6 auf, der den Neigungswinkel der Gondel 6 messen kann. Des Weiteren weist die Windkraftanlage 1 eine Steuerung 9 auf. Eine Turmschwingungssteuerung zum Reduzieren der am Turm 8 auftretenden Schwingungen durch Steuerung des Anstellaktuators 5 auf der Grundlage eines Ausgangssignals vom Neigungswinkelsensor 7 ist in Form eines Programms realisiert. In 1 ist die Steuerung 9 in der Gondel 6 oder außerhalb des Turms 8 vorgesehen. Die Position der Steuerung 9 ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebenen Positionen beschränkt. Die Steuerung 9 kann in der Gondel 6, im Turm 8 oder an anderen vorbestimmten Positionen vorgesehen sein oder kann auch außerhalb der Windkraftanlage 1 vorgesehen sein.
<Gondelneigungswinkel in der ersten Ausführungsform>
2 veranschaulicht einen Neigungswinkel, der mit dem Neigungswinkelsensor 7 gemessen wird, welcher an einer vorbestimmten Position der Gondel 6 der Windkraftanlage 1 vorgesehen ist. Wenn als Referenz ein Koordinatensystem Σ₀ herangezogen wird, das eine Achse X₀, die einer horizontalen Achse entspricht, eine Achse Z₀, die vertikal zur Achse X₀ verläuft, und eine Achse Y₀ aufweist, die am Schnittpunkt der Achse X₀ und der Achse Z₀ liegt und zur Rückseite des Zeichnungsblatts hin verläuft, ist der Neigungswinkelsensor 7 in einem Koordinatensystem Σ₁ vorgesehen, das eine Achse X₁ und eine Achse Z₁ in einer Ebene parallel zum Zeichnungsblatt und eine Achse Y₁ entsprechend der Richtung der Achse Y₀ aufweist. Der Neigungswinkelsensor 7 misst einen Drehwinkel ϕ um die Achse Y₀ (Achse Y₁) des Koordinatensystems Σ₁ in Bezug auf das Koordinatensystem Σ₀. Der Neigungswinkelsensor 7 ist physisch in der Gondel 6 vorgesehen. Wenn der Neigungswinkelsensor 7 eine Bewegung entsprechend derjenigen der Gondel 6 ausführt, entspricht der Drehwinkel ϕ dem Neigungswinkel der Gondel 6.
<Bestimmung der Turmverlagerung in der ersten Ausführungsform>
3 ist eine schematische Abbildung, die die Verlagerung der Schwingungen des Turms 8 zeigt, wenn die Windkraftanlage 1 Windkraftenergie aufnimmt und eine Energieerzeugung durchführt. Unter der Annahme, dass es sich bei dem Turm 8 um einen starren Körper handelt und er am Fundament des Turms 8 geneigt ist, wird die Verlagerung x des Turms 8 im Hinblick auf den in 2 gezeigten Neigungswinkel ϕ mit dem folgenden Ausdruck bestimmt.
[Ausdruck 1]

x = hsinϕ worin ”h” die Höhe des Turms bezeichnet.

<Angenommenes Verhalten der Turmschwingungen in der ersten Ausführungsform>
4 zeigt ein sekundäres Schwingungsmodell, das an einem repräsentativen Punkt des Turms 8 angenommen wird. Nachstehend tritt in der vorliegenden Ausführungsform die Schwingung des Turms 8 nur in einem primären Schwingungsmodus auf. Wie in 4 gezeigt ist, wird der Materialmassepunkt M als der repräsentative Punkt des Turms 8 übernommen, und die Schwingungseigenschaften umfassen eine elastische Eigenschaft K und eine Zähigkeitseigenschaft D auf der Grundlage der wie vorstehend definierten Verlagerung x. Darüber hinaus bezeichnet ”F” eine nach vorne oder hinten wirkende Richtkraft (Schubkraft), mit der der Turm 8 beaufschlagt wird. Die Schubkraft wird durch Aufnahme des Winds am Rotor 4, an der Gondel 6 und am Turm 8 verursacht. Das Niveau der Kraft wird durch Steuerung des Anstellwinkels der jeweiligen Blätter verändert.
<Turmschwingungssteuerung in der ersten Ausführungsform>
Nachstehend wird anhand von 5 bis 11 ein Beispiel für eine Turmschwingungssteuerung beschrieben, die in der Steuerung 9 der Windkraftanlage 1 realisiert ist, um Schwingungen des Turms 8 auf der Grundlage einer Verlagerungsgeschwindigkeit vx zu reduzieren, die aus einer Differenzierung der oben beschriebenen Verlagerung x hervorgeht.
5 ist ein Blockschema, das schematisch die Turmschwingungssteuerung und den Gegenstand der Steuerung in der ersten Ausführungsform zeigt. Das in 5 gezeigte Blockschema weist eine Turmschwingungs-Steuereinheit 501 und eine Steuerobjekteinheit 502 auf. Die Turmschwingungs-Steuereinheit 501 umfasst eine Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51, eine Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichungs-Berechnungseinheit 52 und eine Anstellwinkelbefehlswert-Berechnungseinheit 53. Die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 berechnet die Verlagerungsgeschwindigkeit vx des Turms 8 auf der Grundlage des Neigungswinkels ϕ als Ausgangssignal vom Neigungswinkelsensor 7. Die Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichungs-Berechnungseinheit 52 subtrahiert die Verlagerungsgeschwindigkeit vx als Ausgang von der Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 von einem Verlagerungsgeschwindigkeits-Objektwert vx* und berechnet eine Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichung Δvx. Die Anstellwinkelbefehlswert-Berechnungseinheit 53 berechnet einen Anstellwinkelbefehlswert θ*_C zum Reduzieren der Schwingung des Turms 8 auf der Grundlage der Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichung Δvx. Es ist zu beachten, dass der Anstellwinkelbefehlswert als ein Befehlswert definiert ist, um einen gleichartigen Befehl an alle Anstellaktuatoren 5 der mehreren Blätter 2 auszugeben. Die Steuerobjekteinheit 502 umfasst eine Blatteigenschaftseinheit 54, eine Addiereinheit 55, eine Turmschwingungseigenschaftseinheit 56 und eine Neigungswinkelsensoreigenschaftseinheit 57. Die Blatteigenschaftseinheit 54 bestimmt eine Schubkraft (Schubkraft, die durch die Turmschwingungssteuerung verursacht ist) ΔF, die am Turm 8 auf der Grundlage des Anstellwinkelbefehlswerts θ*_C zum Reduzieren der Schwingung des Turms 8 verursacht wird. Die Addiereinheit 55 addiert eine grundlegende Schubkraft F₀ mittels der Turmschwingungssteuerung zur Schubkraft ΔF und berechnet die Gesamtheit der Schubkraft (Gesamtschubkraft) F, mit der der Turm 8 zu beaufschlagen ist. Es ist zu beachten, dass die grundlegende Schubkraft F₀ eine Schubkraft bezeichnet, die auftritt, wenn die Windkraftanlage 1 den Anstellwinkel steuert, um die erzeugte elektrische Energie in Entsprechung mit der Windgeschwindigkeit zu steuern, d. h. eine Schubkraft, wenn die Turmschwingungssteuerung nicht ausgeführt wird. Wie in 4 gezeigt ist, bestimmt die Turmschwingungseigenschaftseinheit 56 die Verlagerung x des Turms 8 als Verhalten des sekundären Schwingungsmodus an dem am repräsentativen Punkt des Turms 8 angenommenen Materialpunkt auf der Grundlage der Gesamtschubkraft F. Die Neigungswinkelsensoreigenschaftseinheit 57 gibt eine Ausgabeeigenschaft des Neigungswinkelsensors 7 an, er in der Gondel 6 am Turm 8 vorgesehen ist.
Nachstehend werden Beispiele für die Turmschwingungs-Steuereinheit 501 und die Steuerobjekteinheit 502 beschrieben.
Zuerst wird die Turmschwingungs-Steuereinheit 501 beschrieben. 6 zeigt ein erstes Beispiel für die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 in der ersten Ausführungsform. Die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 weist im vorliegenden Beispiel eine Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 61 und eine Differenzierungsberechnungseinheit 62 auf. Die Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 61 bestimmt die Verlagerung x mit dem Ausdruck 1 auf der Grundlage des Neigungswinkels ϕ als Ausgangssignal vom Neigungswinkelsensor 7. Die Differenzierungsberechnungseinheit 62 bestimmt die Verlagerungsgeschwindigkeit vx durch zeitliche Ableitung der Verlagerung x. 7 zeigt ein zweites Beispiel für die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 in der ersten Ausführungsform. Die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 wird im vorliegenden Beispiel gebildet, indem dem vorstehenden beschriebenen ersten Beispiel eine Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 71 hinzugefügt wird. Die Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 71 hat die Eigenschaft, ein im Ausgangssignal aus dem Neigungswinkelsensor 7 enthaltenes Rauschen zu eliminieren. Die Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 71 kann über eine Tiefpassfilter-Übertragungseigenschaft verfügen. Im vorliegenden Beispiel wird ein vom Rauschen befreiter Neigungswinkel ϕ₁ auf der Grundlage des Neigungswinkels ϕ des Turms 8 bestimmt. Danach wird die Verlagerung x mit dem Ausdruck 1 bestimmt und die Verlagerungsgeschwindigkeit vx wird durch Differenzierung bestimmt. 8 zeigt ein drittes Beispiel der Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 in der ersten Ausführungsform. Im Vergleich zu dem zuvor beschriebenen zweiten Beispiel ist bei der Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 51 im vorliegenden Beispiel eine Bandpassfiltereigenschaftseinheit 81 zwischen der Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 71 und der Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 61 hinzugekommen. Die oben beschriebene Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 71 wird anhand des Neigungswinkels ϕ als Ausgangssignal vom Neigungswinkelsensor 7 betrieben, und es wird der vom Rauschen befreite Neigungswinkel ϕ₁ bestimmt. Die Bandpassfiltereigenschaftseinheit 81 führt eine solche Verarbeitung durch, dass nur ein vorbestimmtes Frequenzband aus dem vom Rauschen befreiten Neigungswinkel ϕ₁ extrahiert wird, und bestimmt einen Neigungswinkel ϕ₂ mit vorbestimmtem Band. Das oben beschriebene, vorbestimmte Frequenzband kann ein einzigartiges Frequenzband des Turms 8 im primären Schwingungsmodus sein oder kann ein Frequenzband sein, das durch den Generator der Windkraftanlage 1 oder ein Flügelrad verursacht wird. Wenn die Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 61 die Verlagerung x mit dem Ausdruck 1 auf der Grundlage des Neigungswinkels ϕ₂ mit vorbestimmtem Band bestimmt hat, bestimmt die Differenzierungsberechnungseinheit 62 die Verlagerungsgeschwindigkeit vx durch Differenzierung der Verlagerung x. Die Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichungs-Berechnungseinheit 52 berechnet die Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichung Δvx mittels der Verlagerungsgeschwindigkeit vx und dem Verlagerungsgeschwindigkeits-Objektwert vx* mit dem folgenden Ausdruck.
[Ausdruck 2]

Δvx = vx* – vx

9 ist ein Blockschema, das ein Beispiel für die Anstellwinkelbefehlswert-Berechnungseinheit 53 zeigt. Im Beispiel der 9 wird der Anstellwinkelbefehlswert θ*_C auf der Grundlage einer PD-Steuerung unter Verwendung einer Proportionalkomponente mit einer Verstärkung K_P und einer Differenzialkomponente mit einer Verstärkung K_P an der Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichung Δvx als Eingang berechnet. Der folgende Ausdruck gibt eine Transferfunktion der PD-Steuerung an. [Ausdruck 3]
Als Nächstes wird nachstehend ein Beispiel der Steuerobjekteinheit 502 beschrieben. Die Blatteigenschaftseinheit 54 bestimmt die Schubkraft ΔF mit dem Anstellwinkelbefehlswert θ*_C durch die Turmschwingungssteuerung auf der Grundlage des folgenden Ausdrucks. [Ausdruck 4]
Der Ausdruck 4 gibt eine Eigenschaft an, dass die Schubkraft ΔF durch die Turmschwingungssteuerung proportional zum Anstellwinkelbefehlswert θ*_C ist. Sie ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene Eigenschaft beschränkt. Es können auch Eigenschaften hinsichtlich eines umgekehrt proportionalen Polynomausdrucks und dergleichen vorliegen. In der Turmschwingungseigenschaftseinheit 56 wird, wenn das sekundäre Schwingungsmodell wie in 4 gezeigt übernommen wird, zwischen der Verlagerung x des Turms 8 und der Gesamtschubkraft F eine Eigenschaft angenommen, die mit den folgenden Ausdrücken ausgedrückt wird. [Ausdruck 5]
Die Neigungswinkelsensoreigenschaftseinheit 57 wird auf der Grundlage der Verformungseigenschaft des Turms 8 und der Eigenschaft des Neigungswinkelsensors 7 bestimmt. Unter der Annahme, dass sich die Beziehung zwischen dem Neigungswinkel ϕ und der Verlagerung x wie in 3 gezeigt darstellt, wird der Neigungswinkel ϕ auf der Grundlage des folgenden Ausdrucks bestimmt.
[Ausdruck 6]

ϕ = sin^–1 x / h

<Vorteil der Anwendung einer PD-Steuerung auf die Turmschwingungssteuerung>
Nachstehend werden die Einzelheiten des Vorteils beschrieben, wenn die PD-Steuerung auf die Turmschwingungssteuerung angewendet wird. Es wird die folgende Beziehung zwischen der Gesamtschubkraft F, der Schubkraft ΔF von der Turmschwingungssteuerung und der grundlegenden Schubkraft F₀ hergestellt.
[Ausdruck 7]

F = F₀ + ΔF

Mit dem Ausdruck 3 und dem Ausdruck 4 wird die folgende Beziehung zwischen der Verlagerungsgeschwindigkeitsveränderung Δvx und der Schubkraft ΔF von der Turmschwingungssteuerung aufgestellt.
[Ausdruck 8]

ΔF = G₁K_PΔvx + G₁K_D d / dt(Δvx)

Die Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichung Δvx wird mit dem Ausdruck 2 dargestellt. Zur Unterdrückung der Schwingung des Turms 8 ist jedoch der folgende Ausdruck erforderlich.
[Ausdruck 9]

vx* = 0

Demgemäß wird der Ausdruck 2 wie folgt.
[Ausdruck 10]

Δvx = –vx

Aus dem Ausdruck 8 und dem Ausdruck 10 wird der folgende Ausdruck erhalten.
[Ausdruck 11]

ΔF = –G₁K_Pvx – G₁K_D d / dt(vx)

Es folgt ein Ausdruck, der aus dem Ausdruck 5 erhalten wird,
[Ausdruck 12]

F = M d / dt(vx) + Dvx + Kx

Wenn der Ausdruck 7 und der Ausdruck 11 substituiert werden, wird der folgende Ausdruck erhalten.
[Ausdruck 13]

F₀ = (M + G₁K_D) d / dt(vx) + (D + G₁K_P)vx + Kx

Mit Bezug auf den folgenden Ausdruck als Eigenschaft vor der Anwendung der Turmschwingungssteuerung im ersten Beispiel,
[Ausdruck 14]

F₀ = M d / dt(vx) + Dvx + Kx

Im Ausdruck 13 sind der Gewichtungsterm im rechtsseitigen ersten Term und der Dämpfungsterm im rechtsseitigen zweiten Term erhöht. Das bedeutet, dass die Turmgewichtung und die Dämpfungseigenschaft mit dem von der Turmschwingungssteuerung bereitgestellten Anstellwinkelbefehlswert praktisch zunehmen. Mit dem vorstehend beschriebenen Vorteil ist es möglich, die Schwingung des Turms 8 zu reduzieren.
<Verbesserung des Vorteils der Turmschwingungssteuerung durch eine unabhängige Anstellsteuerung>
10 ist ein Blockschema einer Steuerung (Turmschwingungssteuerung mit unabhängigem Anstellwinkelbefehl), die den Vorteil der Turmschwingungssteuerung durch eine unabhängige Bestimmung eines Anstellwinkelbefehls verbessern kann. Die vorliegende Steuerung hat eine unabhängige Anstellwinkelabweichungs-Berechnungseinheit 101 zum Bestimmen einer unabhängigen Anstellwinkelabweichung θ*_i jedes Blatts aus dem Anstellwinkelbefehlswert θ*_C, der durch die oben beschriebene Turmschwingungssteuerung bestimmt wird, und eine Addiereinheit 102. Die unabhängige Anstellwinkelabweichungs-Berechnungseinheit 101 bestimmt die unabhängige Anstellwinkelabweichung θ*_i auf der Grundlage des folgenden Ausdrucks.
[Ausdruck 15]

Δθ*_i = f(θ*_C)cos(ψ_i + ψ₀)

Es ist zu beachten, dass ”i” eine Blattanzahl bedeutet; ”ψ_i” bezeichnet eine Drehposition des Rotors jedes Blatts (mit Bezug auf die Vertikalrichtung zur Horizontalebene); und ”ψ₀” bedeutet einen Versatzwert unter Berücksichtigung einer Verzögerung vom Anstellwinkelbefehl bis zur Ausführung. Es ist zu beachten, dass f(ϕ*_C) nicht auf den vorstehend beschriebenen Ausdruck beschränkt ist, sondern wie im folgenden Ausdruck proportional zum Anstellwinkelbefehlswert θ*_C sein kann, oder auf einem Polynomausdruck beruhen kann.
[Ausdruck 16]

f(θ*_C) = G₂θ*_C

Wie im Ausdruck 15 gezeigt ist, kann, da für die unabhängige Anstellwinkelabweichung θ*_i eine Cosinusfunktion verwendet wird, die Schubkraft reduziert werden, wenn sich das Blatt 2 in der höchsten Position befindet, um die Schwingung des Turms 8 durch Windkraft zu erhöhen. Darüber hinaus ist, wenn die Position des Blatts 2 die niedrigste einnimmt und es den Turm überdeckt, die Schubkraft schwach im Vergleich zu anderen Fällen, in denen sich das Blatt 2 in einer anderen Position befindet. Dementsprechend tritt ein Moment zum Erhöhen der Schwingung des Turms 8 auf. Um das Moment zu unterdrücken, wenn sich das Blatt 2 in der tiefsten Drehposition befindet, und um den Einfluss der Schubkraftveränderung in Entsprechung zum Anstellwinkelbefehlswert zu erhöhen, wird durch Verwendung der Cosinusfunktion der Betätigungsbetrag in einer entgegengesetzten Richtung zu der Richtung gesteuert, die besteht, wenn sich das Blatt 2 in einer hohen Position befindet. Bei der auf dem unabhängigen Anstellwinkelbefehl beruhenden Turmschwingungssteuerung wird der unabhängige Anstellwinkelbefehlswert für jedes Blatt 2 schließlich gemäß dem folgenden Ausdruck berechnet.
[Ausdruck 17]

θ*_i = θ*_C + Δθ*_i

Bei der vorstehend beschriebenen Turmschwingungssteuerung werden in der ersten Ausführungsform mehrere Konstanten verwendet. Diese Konstanten aber können über Simulation oder durch einen echten Maschinentest bestimmt werden oder können durch eine vorbestimmte Konstruktionstechnik vorbestimmt sein. Darüber hinaus sind die Konstanten eventuell gar keine Konstanten, sondern können Werte sein, die in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Zustand beliebig verändert werden.
<Ablaufplan der Turmschwingungssteuerung in der ersten Ausführungsform>
11 zeigt einen Ablaufplan der Turmschwingungssteuerung in der ersten Ausführungsform. Im Schritt S1101 wird der Neigungswinkel ϕ auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Neigungswinkelsensor 7 bestimmt, und der Prozess schreitet zum nächsten Schritt fort. Im Schritt S1102 wird die Verlagerungsgeschwindigkeit vx der Schwingung des Turms 8 auf der Grundlage des Neigungswinkels ϕ bestimmt, und der Prozess schreitet zum nächsten Schritt fort. Im Schritt S1103 wird der Anstellwinkelbefehlswert θ*_C jedes Blatts 2 auf der Grundlage der Verlagerungsgeschwindigkeit vx des Turms 8 bestimmt, und der Prozess schreitet zum nächsten Schritt fort. Im Schritt S1104 wird der unabhängige Anstellwinkelbefehlswert θ*_i auf der Grundlage des Anstellwinkelbefehlswerts θ*_C bestimmt, und die Abfolge der Verarbeitung ist abgeschlossen.
Der Ablaufplan der Turmschwingungssteuerung in der vorliegenden Ausführungsform ist nicht auf den oben beschriebenen Ablaufplan beschränkt. So wird zum Beispiel der Vorteil auch dann erhalten, wenn der Schritt S1104 zum Bestimmen des unabhängigen Anstellwinkelbefehlswerts θ*_i weggelassen wird und nur die Verarbeitung vom Schritt S1101 bis zum Schritt S1103 ausgeführt wird.
Zweite Ausführungsform
<Schematische Anordnung der zweiten Ausführungsform>
Nachstehend wird anhand von 12 bis 18 eine schematische Konfiguration der Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 12 zeigt die schematische Konfiguration der gesamten Windkraftanlage 1. Die Blätter 2, die Nabe 3, der Rotor 4, der Anstellaktuator 5, die Gondel 6 und der Turm 8 sind dieselben wie diejenigen in der in 1 beschriebenen ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform sind Verwindungserfassungseinheiten zum Erfassen der Verwindung des Turms 8, d. h. mehrere Verwindungssensoren 12 (12a, 12b und 12c in 12), an vorbestimmten Positionen an der Bodenoberflächenseite des Turms 8 vorgesehen. Die Windkraftanlage 1 weist darüber hinaus eine Steuerung 120 an beliebiger Position auf. Die Turmschwingungssteuerung in Form eines Programms, die dazu in der Lage ist, die am Turm 8 auftretenden Schwingungen zu reduzieren, ist durch Zuführen eines Befehls zum Anstellaktuator 5 auf der Grundlage von Ausgangssignalen von den Verwindungssensoren 12 in der Steuerung 120 realisiert. Die in der Steuerung 120 realisierte Turmschwingungssteuerung bestimmt den Verformungsbetrag des Turms 8 aus den Ausgangssignalen von den Verwindungssensoren 12 und bestimmt den Anstellwinkelbefehlswert als einen Befehlswert an den Anstellaktuator 5 zur Steuerung des Anstellwinkels der mehreren Blätter 2 auf der Grundlage des Verformungsbetrags. Es ist zu beachten, dass in 12 die Steuerung 120 sich außerhalb der Gondel 6 und des Turms 8 befindet, obwohl der Standort der Steuerung 120 nicht auf die obige Position beschränkt ist, und die Steuerung 120 kann an einer vorbestimmten Position der Gondel 6 oder an einer vorbestimmten Position des Turms 8 oder außerhalb der Windkraftanlage 1 vorgesehen sein.
<Bestimmung der Turmverlagerung in der zweiten Ausführungsform>
13 veranschaulicht die Beziehung zwischen der Verlagerung der Schwingung des Turms 8 und dem mit den Verwindungssensoren 12 gemessenen Verwindungsbetrag, wenn die Windkraftanlage 1 Windkraftenergie aufnimmt und eine Energieerzeugung ausführt. In 13 steht ”x” für die Verlagerung des Turms 8 in der Horizontalrichtung; ”δ” ist der Verformungsbetrag des Turms 8 an einem Anbringungsteil für die Verwindungssensoren 12, der auf der Grundlage der Ausgangssignalen von den im Turm 8 vorgesehenen Verwindungssensoren 12 bestimmt wird; ”ϕ” ist der Neigungswinkel des Turms 8 unter der Annahme, dass der übrige Teil mit Ausnahme des Anbringungsteils für die Verwindungssensoren 12 ein starrer Körper ist; und ”h₁” ist die Länge von der Anbringungsposition für die Gondel 6 zum Anbringungsteil für den Verwindungssensor 12 am Turm 8. Es ist zu beachten, dass die Turmlänge h₁ eine Länge in der Vertikalrichtung ist, wenn keine Windkraftenergie in den Rotor 4, die Gondel 6 und den Turm 8 eingeht, d. h. in einem Zustand, in dem kein Wind aufgenommen wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn der Neigungswinkel ϕ ein sehr kleiner Winkel ist, unter Ausnutzung der Charakteristik, dass der Neigungswinkel ϕ mit dem Verformungsbetrag δ angenähert wird, und unter Verwendung einer Proportionalverstärkung G₃, die Verlagerung x des Turms 8 auf der Grundlage des folgenden Ausdrucks berechnet.
[Ausdruck 18]

x = G₃δ

Es ist zu beachten, dass die Proportionalverstärkung G₃ aus der in 13 gezeigten geometrischen Relation bestimmt werden kann oder auf der Grundlage von realen Daten bestimmt werden kann. Darüber hinaus kann sie nicht nur out der Basis des Ausdrucks 18, sondern auch auf der Grundlage des Polynomausdrucks des Verformungsbetrags δ bestimmt werden. Es ist zu beachten, dass der Verformungsbetrag δ auf der Grundlage der mehreren Ausgangssignale von den an mehreren Positionen vorgesehenen Verwindungssensoren 12 bestimmt wird. Der Verformungsbetrag kann bestimmt werden, indem an den Ausgangssignalen von den Verwindungssensoren 12 eine Filterungsverarbeitung erfolgt und der Maximalwert der vom Rauschen befreiten Signale verwendet wird, oder indem eine deformierte Form des Turms 8 an der Anbringungsposition der Verwindungssensoren 12 aus den vom Rauschen befreiten Signalen geschätzt wird und ein Verformungsbetrag ausgehend von einem nicht verformten Zustand bestimmt wird.
<Angenommenes Verhalten der Turmschwingung in der zweiten Ausführungsform>
Als vermutetes Verhalten der Turmschwingung in der zweiten Ausführungsform wird das in 4 gezeigte sekundäre Schwingungsmodell wie im Falle der oben beschriebenen ersten Ausführungsform verwendet. Deshalb erfolgt keine ausführliche Erläuterung des vermuteten Verhaltens der Turmschwingung.
<Turmschwingungssteuerung in der zweiten Ausführungsform>
Nachstehend wird anhand von 14 bis 18 die Turmschwingungssteuerung beschrieben, die in der Steuerung 120 in der zweiten Ausführungsform realisiert ist.
Der Unterschied zwischen der Turmschwingungssteuerung in der ersten Ausführungsform und der Turmschwingungssteuerung in der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass der Eingang der Turmschwingungssteuerung unter Verwendung des Verformungsbetrags δ erfolgt. Durch die Verwendung des Verformungsbetrags δ wird die Verlagerungsgeschwindigkeit vx des Turms 8 bestimmt, und auf der Grundlage dieses Werts wird der an den Anstellaktuator 5 ausgegebene Anstellwinkelbefehlswert bestimmt. 14 ist ein Blockschema, das eine schematische Konfiguration der Turmschwingungs-Steuereinheit und ein Steuerobjekt in der zweiten Ausführungsform zeigt. Das in 14 gezeigte Blockschema umfasst eine Turmschwingungs-Steuereinheit 1401 und eine Steuerobjekteinheit 1402. Die Turmschwingungs-Steuereinheit 1401 umfasst eine Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141, eine Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichungs-Berechnungseinheit 52 und eine Anstellwinkelbefehlswert-Berechnungseinheit 53. Die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 berechnet die Verlagerungsgeschwindigkeit vx des Turms 8 auf der Grundlage des Verformungsbetrags δ als Ausgangssignale von den Verwindungssensoren 12. Da die Verlagerungsgeschwindigkeitsabweichungs-Berechnungseinheit 52 und die Anstellwinkelbefehlswert-Berechnungseinheit 53 dieselben wie die in der ersten Ausführungsform sind, werden diese Einheiten nicht erläutert.
Die Steuerobjekteinheit 1402 weist die Blatteigenschaftseinheit 54, die Addiereinheit 55, die Turmschwingungseigenschaftseinheit 56 und eine Verwindungssensoreigenschaftseinheit 142 auf. Da die Blatteigenschaftseinheit 54, die Addiereinheit 55 und die Turmschwingungseigenschaftseinheit 56 dieselben wie diejenigen in der ersten Ausführungsform sind, werden diese Einheiten nicht erläutert. Die Verwindungssensoreigenschaftseinheit 142 gibt die Ausgabeeigenschaft der Verwindungssensoren 12 an, die in der Gondel 6 am Turm 8 vorgesehen sind. Nachstehend wird der Unterschied zur ersten Ausführungsform, d. h. die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 und die Verwindungssensoreigenschaftseinheit 142, beschrieben.
15 zeigt ein erstes Beispiel der Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 in der zweiten Ausführungsform. Die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 weist im vorliegenden Beispiel eine Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 151 und eine Differenzierungsberechnungseinheit 152 auf. Die Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 151 bestimmt die Verlagerung x des Turms 8 unter Verwendung des Ausdrucks 18 auf der Grundlage des Verformungsbetrags δ als Ausgangssignale von den Verwindungssensoren 12. Die Differenzierungsberechnungseinheit 152 bestimmt die Verlagerungsgeschwindigkeit vx durch die zeitliche Ableitung der Verlagerung x wie bei der ersten Ausführungsform. 16 zeigt ein zweites Beispiel der Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 in der zweiten Ausführungsform. Die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 wird im vorliegenden Beispiel gebildet, indem dem oben beschriebenen ersten Beispiel eine Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 161 in einer vorgeschalteten Stufe hinzugefügt wird. Die Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 161 hat die Eigenschaft, ein im Ausgangssignal vom Neigungswinkelsensor 7 enthaltenes Rauschen zu eliminieren, kann aber auch eine Tiefpassfilter-Übertragungscharakteristik haben. Im vorliegenden Beispiel bestimmt sie einen vom Rauschen befreiten Verformungsbetrag δ₁ auf der Grundlage des Verformungsbetrags δ des Turms 8. Danach bestimmt sie die Verlagerung x auf der Grundlage des Ausdrucks 18 und bestimmt die Verlagerungsgeschwindigkeit vx durch Differenzierung. 17 zeigt ein drittes Beispiel der Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 in der zweiten Ausführungsform. Die Verlagerungsgeschwindigkeits-Berechnungseinheit 141 umfasst im vorliegenden Beispiel eine Konfiguration, bei der eine Bandpassfiltereigenschaftseinheit 171 zwischen der Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 161 und der Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 151 im vorstehend beschriebenen zweiten Beispiel hinzugekommen ist. Sie betreibt die oben beschriebene Rauscheliminierungs-Verarbeitungseinheit 161 anhand des Verformungsbetrags δ als Ausgangssignale von den Verwindungssensoren 12, um den vom Rauschen befreiten Verformungsbetrag δ₁ zu bestimmen. Die Bandpassfiltereigenschaftseinheit 171 führt eine solche Verarbeitung aus, dass nur ein vorbestimmtes Frequenzband aus dem vom Rauschen befreiten Verformungsbetrag δ₁ extrahiert wird, um einen Verformungsbetrag δ₂ mit vorbestimmtem Band zu bestimmen. Das vorstehend beschriebene, vorbestimmte Frequenzband kann ein natürliches Frequenzband des Turms 8 im primären Schwingungsmodus sein, oder kann ein Frequenzband sein, das durch den Generator oder das Flügelrad verursacht wird, die die Windkraftanlage 1 bilden. Wenn die Turmverlagerungs-Berechnungseinheit 151 die Verlagerung x aus dem in einem vorbestimmten Band liegenden Neigungswinkel ϕ₂ auf der Grundlage des Ausdrucks 18 berechnet, bestimmt die Differenzierungsberechnungseinheit 152 die Verlagerungsgeschwindigkeit vx durch Differenzierung der Verlagerung x. Die in 14 gezeigte Verwindungssensoreigenschaftseinheit 142 bestimmt den Verformungsbetrag δ am Anbringungsteil für die Verwindungssensoren 12 aus der Verlagerung x des Turms 8 unter Verwendung der Verwindungssensoren 12. Unter der Annahme, dass die in 13 gezeigte geometrische Relation aufgestellt wird, bestimmt die Verwindungssensoreigenschaftseinheit 142 den Verformungsbetrag δ auf der Grundlage des Ausdrucks 18 mit dem folgenden Ausdruck. [Ausdruck 19]
<Verbesserung des Vorteils der Turmschwingungssteuerung durch eine unabhängige Anstellsteuerung>
In der zweiten Ausführungsform kann wie im Fall der ersten Ausführungsform der Vorteil der Turmschwingungssteuerung verbessert werden, indem der Anstellwinkel der mehreren Blätter 2 auf der Grundlage der Drehposition des Rotors 4 unabhängig gesteuert wird. Die Turmschwingungssteuerung gemäß dem unabhängigen Anstellwinkelbefehl ist dieselbe wie in der ersten Ausführungsform, weshalb keine ausführliche Beschreibung erfolgt.
<Ablaufplan der Turmschwingungssteuerung in der zweiten Ausführungsform>
18 ist ein Ablaufplan der Turmschwingungssteuerung in der zweiten Ausführungsform. Im Schritt S1801 wird der Verformungsbetrag auf der Grundlage der Ausgangssignale von den Verwindungssensoren 12 bestimmt, und der Prozess schreitet zum nächsten Schritt fort. Im Schritt S1802 wird die Verlagerungsgeschwindigkeit vx der Schwingung des Turms 8 auf der Grundlage des Verformungsbetrags δ bestimmt, und der Prozess schreitet zum nächsten Schritt fort. Im Schritt S1803 wird der Anstellwinkelbefehlswert θ*_C jedes Blatts 2 auf der Grundlage der Verlagerungsgeschwindigkeit vx des Turms 8 bestimmt, und der Prozess schreitet zum nächsten Schritt fort. Im Schritt S1804 wird der unabhängige Anstellwinkelbefehlswert θ*_i auf der Grundlage des Anstellwinkelbefehlswerts θ*_C bestimmt, und die Abfolge der Verarbeitung ist abgeschlossen.
Der Ablaufplan der Turmschwingungssteuerung ist in der vorliegenden Ausführungsform wie im Fall der ersten Ausführungsform nicht auf den oben beschriebenen Ablaufplan beschränkt. So wird zum Beispiel der Vorteil auch dann erhalten, wenn der Schritt S1804 zum Bestimmen des unabhängigen Anstellwinkelbefehlswerts θ*_i entfällt und nur die Verarbeitung vom Schritt S1801 bis zum Schritt S1803 ausgeführt wird.
Es ist zu beachten, dass es als ein Beispiel der Schwingungssteuerung des Turms 8 durch die in der ersten und zweiten Ausführungsform beschriebene unabhängige Anstellsteuerung vorteilhaft ist, den Anstellwinkel in Entsprechung mit der Drehposition jedes Blatts 2 als Einrichtung zum Unterdrücken der Schwingung des Turms 8 zu steuern. Zum Beispiel ist es möglich, den Anstellwinkel mit dem Anstellaktuator 5 so zu steuern, dass der Absolutwert der Abweichung in Bezug auf einen Anstellwinkelmittelwert, der einen Mittelwert der Anstellwinkel in der Umgebung der höchsten Drehposition des Blatts 2 ausgehend von der Position des Fundaments des Turms 8 angibt, größer als der Absolutwert der Abweichung mit Bezug auf den Anstellwinkelmittelwert der Anstellwinkel in anderen Drehpositionen ist. Mit dieser Anordnung ist, wenn sich das Blatt 2 in einer hohen Position befindet, die Auswirkung der Schubkraftsteuerung höher. Wenn sich der Turm 8 zum Beispiel stark nach hinten neigt, wird der Anstellwinkel erhöht, um den Wind freizugeben, und dadurch die Kraft zu reduzieren, die den Turm mit dem Wind nach hinten drückt. Wenn sich der Turm stark nach vorne neigt, wird der Anstellwinkel verringert, um den Wind aufzunehmen und so die Kraft zu erhöhen, die den Turm nach hinten schiebt.
Des Weiteren ist es möglich, den Anstellwinkel mit dem Anstellaktuator 5 so zu steuern, dass der Absolutwert der Abweichung bezüglich eines Anstellwinkelmittelwerts, der einen Mittelwert der Anstellwinkel in der Umgebung der untersten Drehposition des Blatts 2 ausgehend von der Position des Fundaments des Turms 8 angibt, größer als der Absolutwert der Abweichung in Bezug out den Anstellwinkelmittelwert der Anstellwinkel in anderen Drehpositionen ist. Mit dieser Anordnung ist es möglich, den Einfluss zu reduzieren, der besteht, wenn das Blatt 2 über dem Turm 8 liegt. So wird zum Beispiel bei einem Leeläufer in einer Position, in der der Turm 8 und das Blatt 2 einander überlagern, da die mit dem Blatt 2 aufgenommene Kraft vermindert ist, die Änderung des Anstellwinkels im Vergleich zu den Blättern in anderen Drehpositionen erhöht. Darüber hinaus wird bei einem Luvläufer, obwohl der Wirkungsgrad klein sein kann, ein ähnlicher Vorteil in nicht unerheblichem Ausmaß durch den Einfluss einer turbulenten Strömung (Windschatten) am Turm 8 erhalten.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen umfasst. So handelt es sich bei den oben beschriebenen Ausführungsformen zum Beispiel um ausführliche Erläuterungen zur umfassenden Darlegung der vorliegenden Erfindung, und die Erfindung ist nicht auf eine Ausführungsform beschränkt, die über alle beschriebenen Bestandteile verfügt. Des Weiteren ist es möglich, einen Teil der Bestandteile einer Ausführungsform mit denen einer anderen Ausführungsform zu ersetzen. Darüber hinaus ist es möglich, die Bestandteile einer Ausführungsform denen einer anderen Ausführungsform hinzuzufügen. Außerdem können in Bezug auf einen Teil der Bestandteile jeder Ausführungsform die anderen Bestandteile hinzugefügt, weggenommen und/oder ersetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4599350 [0004, 0005, 0006]

Claims

Windkraftanlage (1), umfassend: einen Turm (8), der an Land oder auf dem Meer errichtet ist und als Tragelement der Windkraftanlage fungiert; eine auf dem Turm vorgesehene Gondel (6), die innen einen Generator aufweist; und einen Rotor (4), der an einem Ende der Gondel (6) vorgesehen ist und mehrere Blätter zum Aufnehmen von Wind und Umwandeln des Winds in Rotationsenergie sowie eine Nabe aufweist, wobei die Windkraftanlage (1) umfasst: eine Neigungswinkel-Erfassungseinheit, die die Neigung der Gondel (6) erfasst; und eine Anstellwinkel-Steuereinheit, die im Blatt (2) vorgesehen ist und den Anstellwinkel des Blatts in Bezug auf die Nabe steuert, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts auf der Grundlage des mit der Neigungswinkel-Erfassungseinheit erfassten Neigungswinkels der Gondel (6) steuert.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Neigungswinkel-Erfassungseinheit um einen in der Gondel (6) vorgesehenen Neigungswinkelsensor handelt.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Neigungswinkel-Erfassungseinheit um einen im Turm vorgesehenen Neigungswinkelsensor handelt.
Windkraftanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit unabhängig in jedem Blatt (2) vorgesehen und dazu in der Lage ist, den Anstellwinkel jedes Blatts in Bezug auf die Nabe unabhängig zu steuern.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts (2) auf der Grundlage einer Neigungswinkelgeschwindigkeit steuert, die aus dem mit der Neigungswinkel-Erfassungseinheit erfassten Neigungswinkel der Gondel (6) bestimmt wird.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts (2) auf der Grundlage einer Verlagerung des Turms (8) steuert, die einen Verformungsbetrag des Turms angibt, der mit dem mit der Neigungswinkel-Erfassungseinheit erfassten Neigungswinkel der Gondel (6) bestimmt wird.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 6, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts auf der Grundlage einer Verlagerungsgeschwindigkeit des Turms (8) steuert, die eine Verlagerungsgeschwindigkeit des Turms angibt, die mit dem mit der Neigungswinkel-Erfassungseinheit erfassten Neigungswinkel der Gondel (6) bestimmt wird.
Windkraftanlage (1), umfassend: einen Turm (8), der an Land oder auf dem Meer errichtet ist und als Tragelement der Windkraftanlage fungiert; eine auf dem Turm vorgesehene Gondel (6), die innen einen Generator aufweist; und einen Rotor (4), der an einem Ende der Gondel vorgesehen ist und mehrere Blätter (2) zum Aufnehmen von Wind und Umwandeln des Winds in Rotationsenergie sowie eine Nabe aufweist, wobei die Windkraftanlage umfasst: eine Verwindungserfassungseinheit, die im Turm (8) vorgesehen ist und eine Verwindung des Turms erfasst; und eine im Blatt (2) vorgesehene Anstellwinkel-Steuereinheit, die einen Anstellwinkel des Blatts in Bezug auf die Nabe steuert, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts auf der Grundlage eines mit der Verwindungserfassungseinheit erfassten Verwindungsbetrags des Turms (8) steuert.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 8, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts auf der Grundlage einer Neigungswinkelgeschwindigkeit der Gondel (6) steuert, die mit dem mit der Verwindungserfassungseinheit erfassten Verwindungsbetrag des Turms bestimmt wird.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 8, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts (2) auf der Grundlage einer Verlagerung des Turms (8) steuert, die den mit der Verwindungserfassungseinheit erfassten Verwindungsbetrag des Turms angibt.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 10, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel des Blatts (2) auf der Grundlage einer Verlagerungsgeschwindigkeit des Turms (8) steuert, die die Geschwindigkeit des mit der Verwindungserfassungseinheit erfassten Verwindungsbetrags des Turms angibt.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 8 bis 11, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit unabhängig in jedem Blatt (2) vorgesehen und dazu in der Lage ist, den Anstellwinkel jedes Blatts in Bezug auf die Nabe unabhängig zu steuern.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 4 oder 12, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel so steuert, dass der Absolutwert einer Abweichung in Bezug auf einen Anstellwinkelmittelwert, der einen Mittelwert von Anstellwinkeln von einer Position eines Fundaments des Turms (8) bis zu einer Position in der Umgebung der höchsten Drehposition des Blatts angibt, größer als der Absolutwert einer Abweichung in Bezug auf den Anstellwinkelmittelwert anderer Drehpositionen ist.
Windkraftanlage (1) nach Anspruch 4 oder 12, wobei die Anstellwinkel-Steuereinheit den Anstellwinkel so steuert, dass der Absolutwert einer Abweichung in Bezug auf einen Anstellwinkelmittelwert, der einen Mittelwert von Anstellwinkeln von einer Position eines Fundaments des Turms (8) bis zu einer Position in der Umgebung der untersten Drehposition des Blatts angibt, größer als der Absolutwert einer Abweichung in Bezug auf den Anstellwinkelmittelwert anderer Drehpositionen ist.