DE102016109122A1 - Method for determining a vibration of a wind turbine tower - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage, umfassend die Schritte Aufnehmen einer Bewegung wenigstens eines an dem Turm angeordneten Markers mittels eines Messaufnehmers, Bestimmen wenigstens einer die Schwingung beschreibenden Schwingungsgröße aus der aufgenommenen Bewegung, wobei das Aufnehmen der Bewegung so erfolgt, dass eine Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer aufgenommen wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Messeinrichtung sowie eine entsprechende Windenergieanlage.The present invention relates to a method for determining a vibration of a tower of a wind turbine, comprising the steps of recording a movement of at least one marker arranged on the tower by means of a sensor, determining at least one vibration variable describing the vibration from the recorded movement, wherein the recording of the movement so in that movement of the marker relative to the sensor is recorded. Furthermore, the invention relates to a corresponding measuring device and a corresponding wind turbine.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage, eine entsprechende Messeinrichtung sowie eine Windenergieanlage mit einer solchen Messeinrichtung.The present invention relates to a method for determining a vibration of a tower of a wind turbine, a corresponding measuring device and a wind turbine with such a measuring device.
Während des Betriebs einer Windenergieanlage wirken Windlasten hauptsächlich auf die Rotorblätter eines Rotors. Die Lasten werden vom Rotor über eine Anbindung an das Maschinengehäuse oder die Gondel in einen Turm oder Mast der Windenergieanlage geleitet. Nachfolgend wird der Begriff Gondel synonym für Maschinengehäuse verwendet.During operation of a wind turbine wind loads act mainly on the rotor blades of a rotor. The loads are directed by the rotor via a connection to the machine housing or the nacelle in a tower or mast of the wind turbine. In the following, the term nacelle is used synonymously for machine housing.
Darüber hinaus wirken durch den Wind auch Lasten direkt auf den Turm und die Gondel. Die Summe der auf die Windenergieanlage wirkenden Lasten führt zu Verschiebungen der Windenergieanlage, wobei der Turm insbesondere im Bereich der Gondel schwingt bzw. dort eine hohe Schwingamplitude aufweisen kann. In addition, by the wind also loads directly on the tower and the gondola. The sum of the loads acting on the wind power plant leads to shifts of the wind power plant, wherein the tower oscillates in particular in the area of the nacelle or can have a high oscillation amplitude there.
Die Schwingung der Gondel mit dem Turm kann mechanisch als schwingender Massepunkt auf einem fest eingespannten Balken verstanden werden. Schwingungen an sich werden üblicherweise mit der Schwingungsgröße Frequenz beschrieben. Mit einer Eigenfrequenz wird eine Systemeigenschaft beschrieben. Zu der Eigenfrequenz eines mechanischen Schwingers gehört eine Eigenschwingform, die die zu der Eigenfrequenz gehörende Verformung des Körpers während der Schwingung wiedergibt. Üblicherweise treten Eigenfrequenzen paarweise auf, so dass bspw. die erste und zweite Eigenfrequenz im Wesentlichen identisch, zumindest ähnlich sind und die dritte und vierte Eigenfrequenz im Wesentlichen identisch oder ähnlich sind. Dabei ist häufig der ersten Eigenfrequenz eine erste axiale Eigenschwingform zugeordnet und der zweiten Eigenfrequenz ist eine erste laterale Eigenschwingform zugeordnet, wobei sich axial bzw. lateral auf die Rotorachse in der Gondel bezieht. Entsprechend ist der dritten Eigenfrequenz eine zweite axiale Eigenschwingform zugeordnet und der vierten Eigenfrequenz ist eine zweite laterale Eigenschwingform zugeordnet. Die lateralen Eigenschwingformen sind dabei um 90° zu den entsprechenden ersten axialen Eigenschwingformen verschoben. The vibration of the nacelle with the tower can be understood mechanically as a vibrating mass point on a firmly clamped beam. Vibrations per se are usually described by the frequency of vibration. A natural frequency describes a system property. The eigenfrequency of a mechanical vibrator includes a natural mode that reflects the deformation of the body during oscillation associated with the natural frequency. Usually, natural frequencies occur in pairs, so that, for example, the first and second natural frequencies are substantially identical, at least similar, and the third and fourth natural frequencies are substantially identical or similar. In this case, often the first natural frequency is associated with a first axial natural vibration mode and the second natural frequency is associated with a first lateral natural vibration mode, wherein axially or laterally refers to the rotor axis in the nacelle. Accordingly, the third natural frequency is associated with a second axial natural vibration waveform and the fourth natural frequency is associated with a second lateral natural vibration waveform. The lateral natural vibration modes are shifted by 90 ° to the corresponding first axial natural vibration modes.
Die Eigenschwingformen, Eigenformen, Schwingungsformen oder Schwingformen werden auch als Eigenmoden bezeichnet und diese Begriffe werden in dieser Anmeldung synonym verwendet.The natural vibration modes, eigenmodes, vibration modes or vibration modes are also referred to as eigenmodes and these terms are used interchangeably in this application.
Darüber hinaus sind zur Beschreibung von Schwingungen die Auslenkung bzw. die Amplitude von Bedeutung. Die Bewegung eines solchen Schwingers kann mathematisch mit Hilfe von Differentialgleichungen beschrieben werden. Eine solche Differentialgleichung weist ein Masse-Glied bestehend aus Masse und Beschleunigungsvektor, ein Dämpfungs-Glied bestehend aus Dämpfungsmatrix und Geschwindigkeitsvektor und ein Steifigkeits-Glied bestehend aus Steifigkeitsmatrix und Bewegungsvektor auf, die aufsummiert der Erregerkraft entsprechen. Mit Hilfe der Beschleunigung, der Geschwindigkeit und der Auslenkung eines Punktes sowie Eigenschaften des Systems, kann somit die Erregerkraft bestimmt werden, wodurch sich dann die Belastung auf den Turm ermitteln lässt. In addition, for the description of vibrations, the deflection or the amplitude of importance. The movement of such a vibrator can be mathematically described by means of differential equations. Such a differential equation has a mass element consisting of mass and acceleration vector, an attenuation element consisting of attenuation matrix and velocity vector, and a stiffness element consisting of stiffness matrix and motion vector, which in summation correspond to the excitation force. With the help of the acceleration, the speed and the deflection of a point as well as characteristics of the system, the exciter force can be determined, whereby then the load on the tower can be determined.
Zum Erfassen der Schwingung des Turmes im Bereich der Gondel, was vereinfachend auch als Schwingung der Gondel bezeichnet werden kann, werden in der Regel wenigstens ein Beschleunigungssensor zum Ermitteln einer Beschleunigung und/oder ein Lagesensor zum Ermitteln einer Auslenkung im Bereich der Gondel angeordnet. Damit lässt sich auch eine Geschwindigkeit der Gondelbewegung ermitteln. Daraus ist eine Bewegungsgleichung des Turmes im Bereich der Gondel ableitbar. Daraus lässt sich auch eine Turmeigenfrequenz des Turms bestimmen. Aus der Bewegungsgleichung im Bereich der Gondel lassen sich wiederum Belastungen bestimmen, die aufgrund der Schwingung auf den Turm wirken. Auf diese Weise lässt sich hinreichend genau die erste und damit auch die zweite Eigenfrequenz und zumindest die erste Eigenschwingform der Turmschwingung in axialer Richtung ermitteln, die als Stand der Technik in
Im Turm können jedoch auch höhere Eigenschwingformen eine Belastung auf den Turm ausüben. Höhere Eigenschwingformen, wie bspw. eine zweite axiale Eigenschwingform und eine zweite laterale Eigenschwingform, weisen eine größte Auslenkung meist nicht an der Gondel, sondern eher im oberen Drittel bis Fünftel oder unteren Drittel des Turmes auf, die ebenfalls die Anlage belasten können und negative Einflüsse auf die Lebensdauer der Anlage haben können. Ein Erfassen solcher zweiten axialen und zweiten lateralen Turmeigenschwingformen zu der die dritte und vierte Eigenfrequenz gehört ist im Betrieb mit den bekannten Messaufnehmern in der Gondel kaum möglich. In the tower, however, higher natural vibration modes can exert a load on the tower. Higher natural vibration modes, such as, for example, a second axial natural mode and a second lateral mode, usually have a maximum deflection not on the nacelle, but rather in the upper third to fifth or lower third of the tower, which can also stress the system and negative influences can have the life of the plant. A detection of such second axial and second lateral tower eigenschwingformen to which the third and fourth natural frequency belongs is hardly possible in operation with the known sensors in the nacelle.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zumindest eins der oben genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die ein Überwachen von Turmschwingungen erleichtert. Zumindest soll zu bisherigen Vorschlägen eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.The present invention is therefore based on the object to address at least one of the above-mentioned problems. In particular, a solution is to be proposed which facilitates monitoring of tower vibrations. At least an alternative solution to previous proposals should be proposed.
Es wird daher ein Verfahren gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.It is therefore proposed a method according to claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage umfasst die Schritte Aufnehmen einer Bewegung wenigstens eines an dem Turm angeordneten Markers mittels eines Messaufnehmers. Bestimmen wenigstens einer die Schwingung beschreibenden Schwingungsgröße aus der aufgenommenen Bewegung, wobei das Aufnehmen der Bewegung so erfolgt, dass eine Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer aufgenommen wird. The method according to the invention for determining an oscillation of a tower of a wind energy installation comprises the steps of recording a movement of at least one marker arranged on the tower by means of a measuring transducer. Determining at least one amount of vibration describing the vibration from the sensed motion, wherein the sensing of the motion is such as to detect movement of the marker relative to the sensor.
Demnach ist an dem Turm der Windenergieanlage wenigstens ein Marker angeordnet, der hier synonym auch als Markierungselement bezeichnet werden kann. Der oder die Marker, insbesondere eine oder mehrere an dem Turm angeordnete Platte bzw. Platten, bewegt sich mit dem Turm mit, wenn der Turm durch auf die Windenergieanlage wirkende Lasten in Schwingung versetzt wird. Die Bewegung des Markers wird mittels des Messaufnehmers aufgenommen. Der Messaufnehmer bleibt dabei in Ruhe oder bewegt sich selber nur unwesentlich, so dass eine etwaige Bewegung des Messaufnehmers vernachlässigbar ist. Der Marker bewegt sich also relativ zu dem Messaufnehmer. Aus der Relativbewegung des Markers gegenüber dem Messaufnehmer wird eine Schwingungsgröße bestimmt. Die Schwingungsgröße kann dabei bspw. die Frequenz der Schwingung und/oder insbesondere die Amplitude bzw. die Auslenkung des Markers aus seiner Ruhelage sein. Accordingly, at least one marker is arranged on the tower of the wind energy plant, which can be referred to here synonymously as a marking element. The one or more markers, in particular one or more arranged on the tower plate or plates, moves with the tower with when the tower is caused by acting on the wind turbine loads vibrate. The movement of the marker is recorded by means of the sensor. The sensor remains at rest or moves itself only insignificantly, so that any movement of the sensor is negligible. The marker thus moves relative to the sensor. From the relative movement of the marker relative to the sensor, a vibration quantity is determined. The oscillation variable may be, for example, the frequency of the oscillation and / or in particular the amplitude or the deflection of the marker from its rest position.
Mit diesen Größen können auch die Schwingbeschleunigung und/oder die Schwinggeschwindigkeit sowie die Dämpfung des Turms bestimmt werden. Die Dämpfung kann dabei positiv oder negativ sein. Bei einer positiven Dämpfung verringern sich die Schwingungsamplituden nach der Anregung, das System ist stabil. Eine negative Dämpfung bewirkt ein instabiles System, bei dem die Schwingungsamplituden nach der Anregung zunehmen. Die vorgenannten Größen sind für die Lösung der die Bewegung des Turms beschreibenden Differentialgleichung notwendig. Die Bestimmung der Schwinggröße erfolgt bspw. über eine Fast-Fourier-Transformation oder eine Ordnungsanalyse.With these variables, the vibration acceleration and / or the vibration velocity and the damping of the tower can be determined. The attenuation can be positive or negative. With a positive damping the vibration amplitudes decrease after the excitation, the system is stable. A negative damping causes an unstable system in which the vibration amplitudes increase after the excitation. The above quantities are necessary for the solution of the differential equation describing the movement of the tower. The determination of the vibration quantity takes place, for example, via a fast Fourier transformation or an order analysis.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine horizontale Bewegung des Markers aufgenommen. Eine horizontale Bewegung des Markers ist im Wesentlichen quer zu einer Hochachse des Turms der Windenergieanlage gerichtet. Folglich werden Transversalschwingungen des Turms aufgenommen. Daher erfolgt das Aufnehmen der Bewegung des Markers frei von Effekten, die in Richtung der Hochachse des Turmes wirken. Solche Querbewegungen im Turm erzeugen eine Biege- bzw. Druckbelastung im Turm. Daher lässt sich aus den Horizontal- bzw. Querbewegungen des Markers eine Belastung auf den Turm ableiten. In one embodiment of the method according to the invention, a horizontal movement of the marker is recorded. A horizontal movement of the marker is directed substantially transverse to a vertical axis of the tower of the wind turbine. Consequently, transversal vibrations of the tower are recorded. Therefore, the recording of the movement of the marker is free from effects that act in the direction of the vertical axis of the tower. Such transverse movements in the tower create a bending or compressive load in the tower. Therefore, a load on the tower can be derived from the horizontal or transverse movements of the marker.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wenigstens eine Marker oder ein Marker davon in einem Bereich am Turm angeordnet, in dem eine maximale Auslenkung einer zweiten Eigenschwingform der zu bestimmenden Schwingung zu erwarten ist und/oder der Marker in einem unteren Drittel des Turmes oder in einem oberen Drittel des Turmes und/oder in einem oberen Fünftel des Turmes angeordnet wird. Die Auslenkung ist besonders dann im oberen Fünftel groß, wenn der untersuchte Turm ein Hybridturm ist, der im unteren Bereich als Betonturm und im oberen Bereich als Stahlturm ausgebildet ist. Dabei soll der Marker nicht im Turmkopf, insbesondere nicht in der Gondel angeordnet sein, sondern wenigstens 10% unterhalb des Turmkopfes.In a further embodiment of the method according to the invention, the at least one marker or a marker thereof is arranged in a region on the tower, in which a maximum deflection of a second natural oscillation shape of the oscillation to be determined is to be expected and / or the marker in a lower third of the tower or is placed in an upper third of the tower and / or in an upper fifth of the tower. The deflection is particularly large in the upper fifth, if the investigated tower is a hybrid tower, which is formed in the lower part as a concrete tower and in the upper part as a steel tower. In this case, the marker should not be located in the tower head, in particular not in the nacelle, but at least 10% below the tower head.
Die zweite Eigenschwingform der Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage ist gekennzeichnet durch das Ausbilden eines Schwingungsbauches im Bereich des unteren Drittels oder einem oberen Drittel oder einem oberen Fünftel des Turms. Diese Bereiche des Turmes haben bei der zweiten Eigenschwingform, sei es eine axiale oder laterale, eine große Auslenkung, so dass hier die Bewegung gut erfasst werden kann. An der Stelle mit der größten Auslenkung ist also die Querbewegung am größten, so dass an dieser Stelle hohe Belastungen im Turm entstehen. Somit ist die Kenntnis der Auslenkung wichtig für die Bestimmung der auf den Turm wirkenden Lasten und damit für die Lebensdauerabschätzung. Die Position kann aus Erfahrungswerten oder aus Simulationen basierend auf einem Modell aus finiten Elementen bestimmt werden. Auch eine analytische Berechnung kommt in Betracht. Durch Messen der an dem Turm tatsächlich auftretenden Schwingungen können auch zur Auslegung des Turms durchgeführte Simulationsberechnungen validiert werden.The second natural oscillation of the vibration of a tower of a wind turbine is characterized by the formation of a vibration in the region of the lower third or an upper third or an upper fifth of the tower. These areas of the tower have a large deflection in the second natural oscillation shape, be it axial or lateral, so that the movement can be well grasped here. At the point with the largest deflection so the transverse movement is greatest, so that high loads in the tower arise at this point. Thus, the knowledge of the deflection is important for the determination of the loads acting on the tower and thus for the lifetime estimation. The position can be determined from empirical values or from simulations based on a model of finite elements. An analytical calculation is also possible. By measuring the vibrations actually occurring at the tower, simulation calculations carried out for the design of the tower can also be validated.
Außerdem oder alternativ kann eine Position gewählt werden, an der eine große Auslenkung der dritten Eigenschwingform zu erwarten ist. Damit kann die dritte Eigenschwingform und fünfte und sechste Eigenfrequenz gut bestimmt werden. Als Position zum Anordnen eines Markes, an der die zweite und die dritte Eigenschwingform eine große Auslenkung haben, bietet sich ein Übergangsbereich zwischen jeweils einem Maximum beider Eigenschwingformen an. Ein solcher Übergangsbereich kann besonders zwischen einer Turmmitte und einem oberen oder unteren Drittel des Turmes sein.In addition or alternatively, a position can be selected at which a large deflection of the third natural vibration mode is to be expected. Thus, the third natural mode and fifth and sixth natural frequency can be well determined. As a position for arranging a mark on which the second and third natural modes have a large deflection, there is a transition range between a maximum of both natural modes. Such a transition region may be particularly between a tower center and an upper or lower third of the tower.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Messaufnehmer in einem Kopf- oder Fußbereich des Turmes angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass von diesen Bereichen aus besonders gut die Bewegung des Markers erfasst werden kann.In yet another embodiment of the method according to the invention, the sensor is arranged in a head or foot region of the tower. It has been shown that the movement of the marker can be detected particularly well from these areas.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst der Messaufnehmer eine Richtung, in der sich der Marker in Bezug auf den Messaufnehmer befindet und die Bewegung des Markers wird aus einer Veränderung der erfassten Richtung ermittelt. Das kann besonders dadurch erreicht werden, dass der Messaufnehmer dem Marker nachgeführt wird. In one embodiment of the method according to the invention, the sensor detects a direction in which the marker is located in relation to the sensor and the movement of the marker is determined from a change in the detected direction. This can be achieved in particular by the fact that the sensor is tracked to the marker.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass von dem Messaufnehmer Licht emittiert wird, das von dem mindestens einen Marker an den Messaufnehmer reflektiert und von dem Messaufnehmer empfangen wird. Damit wird ein kontaktloses Aufnehmen der Bewegung des Markers ermöglicht. Ein kontaktloses Aufnehmen der Bewegung des Markers mittels Licht weist eine hohe Sensibilität der Messung auf, da kleinste Veränderungen in der Lage des Markers eine Änderung der Reflexion des Lichts von dem Marker bewirken können. Somit lassen sich auch bei sehr kleinen Bewegungen zuverlässige Messwerte aufnehmen. Da eine solche Messanordnung ohne mechanisch bewegliche Elemente auskommt, weist eine Verwendung einer solchen Messanordnung eine hohe Lebensdauer auf. Vorzugsweise werden Messaufnehmer verwendet, die einen Laserstrahl emittieren. Damit kann eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht werden.Another embodiment of the method according to the invention provides that light is emitted by the sensor, which is reflected by the at least one marker to the sensor and received by the sensor. This allows contactless recording of the movement of the marker. Contactless recording of the movement of the marker by means of light has a high sensitivity of the measurement, since minute changes in the position of the marker can cause a change in the reflection of the light from the marker. This makes it possible to record reliable measurements even with very small movements. Since such a measuring arrangement manages without mechanically movable elements, a use of such a measuring arrangement has a long service life. Preferably, sensors are used which emit a laser beam. This allows a particularly high measurement accuracy can be achieved.
Vorzugsweise ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Marker ein Referenzmuster aufweist und das Referenzmuster von dem Messaufnehmer optisch erkannt wird, so dass eine Bewegung des Markers von dem Messaufnehmer als Bewegung des Referenzmusters erkannt wird, wobei das Referenzmuster vorzugsweise als ein- oder zweidimensionaler Strichcode ausgebildet ist. Das Verfahren erfasst somit diese Bewegung des Referenzmusters. Preferably, the method is characterized in that the marker has a reference pattern and the reference pattern is detected by the sensor optically, so that movement of the marker is detected by the sensor as movement of the reference pattern, wherein the reference pattern is preferably formed as a one- or two-dimensional bar code is. The method thus detects this movement of the reference pattern.
Besonders über einen Strichcode kann die Bewegung auch quantitativ erfasst werden. Bei Verwendung eines Strichcodes kann die Bewegung über das Zählen sich an einem Fokussierpunkt vorbeibewegender Striche quantitativ erfasst werden. Zwischen zwei Strichen kann über eine Helligkeitsveränderung die Position erkannt werden. Wird ein zweidimensionaler Strichcode verwendet und ist er in die beiden Richtungen unterschiedlich codiert, weist also bspw. unterschiedlich dicke Striche auf, kann der Messaufnehmer darüber die genaue Bewegungsrichtung des Markers erfassen.Especially via a barcode, the movement can also be detected quantitatively. When using a bar code, the movement can be quantitatively detected by counting at a focussing point of passing strokes. Between two lines, the position can be detected by changing the brightness. If a two-dimensional barcode is used and it is coded differently in the two directions, that is, if it has, for example, different thicknesses of lines, the measuring sensor can detect the exact direction of movement of the marker over it.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewegung des Markers von dem Messaufnehmer über eine Änderung einer physischen Verbindung zwischen dem Messaufnehmer und dem Marker erfasst. Eine solche physische Verbindung könnte beispielsweise ein zwischen dem Messaufnehmer und dem Marker gespanntes Zugmittel wie bspw. ein Seil sein, wie bspw. bei einem Seilzug-Wegsensor. Eine Bewegung des Markers wird dabei zu einer Veränderung eines Abstandes zwischen Messaufnehmer und Marker führen. Entsprechend wird das Zugmittel gezogen, was von dem Messaufnehmer erfasst wird. Eine Verwendung einer solchen Messanordnung könnte auch bei Ausfall einer Stromversorgung der Lichtquelle des Messaufnehmers eine Bewegung des Markers erfassen. In a particular embodiment of the method according to the invention, the movement of the marker is detected by the sensor via a change in a physical connection between the sensor and the marker. Such a physical connection could be, for example, a traction means stretched between the sensor and the marker, such as a rope, such as in a cable traction sensor. A movement of the marker will lead to a change in a distance between the sensor and marker. Accordingly, the traction means is pulled, which is detected by the sensor. A use of such a measuring arrangement could detect a movement of the marker even if a power supply of the light source of the sensor fails.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schwingung einer zweiten Eigenschwingform und optional auch weiterer Eigenschwingformen einschließlich einer ersten Eigenschwingform der Schwingung des Turms bestimmt. Dadurch können überlagerte Eigenschwingungsformen ermittelt werden. Auch die jeweiligen axialen und lateralen Eigenschwingformen können sich überlagern. Beispielsweise kann bei Überlagerung der ersten und zweiten Eigenfrequenz, und somit der ersten axialen und ersten lateralen Eigenschwingform, die Gondel und der Turm nach vorne und hinten schwingen, gleichzeitig aber auch der Turm in sich, um ein anschauliches Beispiel zu nennen. Die Bestimmung und Überwachung nur der ersten Eigenschwingform könnte dazu führen, dass die Anlage belastende Bewegungen der weiteren Eigenschwingformen unerkannt bleibt und damit bspw. auch eine insgesamt höhere Belastung der Windenergieanlage, besonders des Turmes, unerkannt bliebe. In one embodiment of the method according to the invention, the oscillation of a second natural oscillation shape and optionally also further natural oscillation modes including a first natural oscillation shape of the oscillation of the tower is determined. As a result, superposed natural vibration modes can be determined. The respective axial and lateral natural vibration modes can also overlap. For example, when superposing the first and second natural frequencies, and thus the first axial and first lateral natural modes, the gondola and the tower swing forward and backward, but at the same time also the tower in itself, to give an illustrative example. The determination and monitoring of only the first natural vibration mode could lead to the system stressing movements of other natural modes undetected and thus, for example, an overall higher load on the wind turbine, especially the tower, would remain unrecognized.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass aus der Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer eine Torsionsschwingung des Turms erfasst wird. Bei Auftreten einer Torsion des Turms entstehen zusätzliche Schubspannungen in dem Turm, die zu einer zusätzlichen Belastung führen. Somit können kritische Belastungen, die bspw. aus einer Überlagerung von Schubspannungen und Querspannungen entstehen, zuverlässig erkannt werden. Auch dafür kann die Bewegung des Markers erfasst werden und daraus kann die Torsionsbewegung und daraus die Torsionsschwingung ermittelt werden.An advantageous development of the method provides that from the movement of the marker relative to the sensor a torsional vibration of the tower is detected. When a torsion of the tower occurs additional shear stresses arise in the tower, which lead to an additional burden. Thus, critical loads arising, for example, from a superposition of shear stresses and transverse stresses can be reliably detected. Also for this, the movement of the marker can be detected and from this the torsional motion and therefrom the torsional vibration can be determined.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der Bewegung des Markers eine Strukturbelastung der Windenergieanlage erfasst. Hierfür kann aus der Bewegung des Markers wenigstens eine Eigenschwingform bestimmt werden. Mittels bekannter Größen wie der Masse und der Steifigkeit des Turms und der berechneten Schwingungsgrößen kann eine äußere Erregerkraft ermittelt werden, mit der die Windenergieanlage bzw. der Turm angeregt wird, aus der dann die Belastung der Windenergieanlage abgeleitet, insbesondere errechnet werden kann. Damit lassen sich auch Belastungen der Rotorblätter oder Unwuchten des Rotors ermitteln.In a further embodiment of the method according to the invention, a structural load of the wind energy plant is detected from the movement of the marker. For this purpose, at least one natural mode can be determined from the movement of the marker. By means of known variables such as the mass and the rigidity of the tower and the calculated vibration variables, an external excitation force can be determined with which the wind energy plant or the tower is excited, from which then the load of the wind energy plant can be derived, in particular calculated. This also loads the rotor blades or imbalances of the rotor can be determined.
Die Erregerkraft Ferr kann über die nachfolgende Gleichung ermittelt werden:
In der Gleichung ist u die erfasste Auslenkung am Marker. Die relevante Masse wird darin als punktförmige Masse m im Bereich des Markers berücksichtigt. Eine Dämpfung wird über die Dämpfungskonstante d und eine Steifigkeit über die Steifigkeitskonstante k berücksichtigt. Dabei kann der Term m·ü(t) als Masse-Glied, der Term d·u .(t) als Dämpfungs-Glied und der Term k·u(t) als Steifigkeits-Glied interpretiert werden. Ferr gibt darin die Erregerkraft an.In the equation, u is the detected displacement at the marker. The relevant mass is taken into account as a point-like mass m in the region of the marker. An attenuation is taken into account via the damping constant d and a stiffness over the stiffness constant k. In this case, the term m · ü (t) can be interpreted as a ground element, the term d · u (t) as an attenuation element and the term k · u (t) as a stiffness element. F err indicates the excitement in it.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes der Belastung oder einer Schwingungsgröße die Windenergieanlage dazu eingerichtet ist, in einen sicheren Betriebszustand überführt zu werden, insbesondere, dass die Windenergieanlage abgeschaltet wird oder eine die Belastung oder die jeweilige Schwingungsgröße reduzierende Regelstrategie aktiviert wird. Wird also eine Grenzwertüberschreitung erkannt, ist das Verfahren dazu ausgebildet, die Windenergieanlage in einen sicheren Betriebszustand zu überführen und ggf. die Windenergieanlage dazu abzuschalten. Eine die Belastung reduzierende Regelstrategie schlägt vor, eine Pitchwinkelsteuereinrichtung für die Rotorblätter zu betreiben, um Einfluss zu nehmen und den Anstellwinkel der Rotorblätter zum Wind zu ändern, um eine Schwingungsanregung zu reduzieren. Auf diese Weise könnte die Belastung reduziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Azimutwinkel der Gondel verändert werden. Somit lassen sich Sicherheitsmaßnahmen beim Auftreten von sicherheitsrelevanten Schwingungen ergreifen.An embodiment of the method according to the invention provides that when a limit value of the load or an oscillation variable is exceeded, the wind energy installation is set up to be converted into a safe operating state, in particular that the wind energy plant is switched off or activates a control strategy which reduces the load or the respective oscillation variable becomes. If, therefore, a limit value violation is detected, the method is designed to convert the wind energy plant into a safe operating state and, if necessary, to switch off the wind energy plant. A load-reducing control strategy suggests operating a pitch angle controller for the rotor blades to influence and change the angle of attack of the rotor blades to wind to reduce vibrational excitation. In this way the burden could be reduced. Alternatively or additionally, the azimuth angle of the nacelle can be changed. Thus, safety measures can be taken when safety-relevant vibrations occur.
Des Weiteren wird eine Messeinrichtung zum Bestimmen einer Schwingung eines Turms einer Windenergieanlage, mit einem an dem Turm angeordneten Messaufnehmer und wenigstens einem an dem Turm angeordneten Marker vorgeschlagen, wobei die Messeinrichtung dazu konfiguriert ist, ein Verfahren gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform auszuführen. Somit wird ein messtechnisches Mittel bereitgestellt, das auf einfache Art und Weise eine Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens des Turms oder einer anderen Windenergieanlagenstruktur ermöglicht. Damit wird auch ein Überwachungssystem zur Lastenabschätzung und zum Ausführen von Regelungsstrategien geschaffen.Furthermore, a measuring device for determining a vibration of a tower of a wind power plant, with a sensor arranged on the tower and at least one marker arranged on the tower is proposed, wherein the measuring device is configured to carry out a method according to at least one embodiment described above. Thus, a metrological means is provided which enables a simple consideration of the dynamic behavior of the tower or other wind turbine structure. This will also create a monitoring system for load estimation and regulatory control.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung sind der Messaufnehmer und der wenigstens eine Marker an einer Turmwand angeordnet. Der Marker kann dabei als eine Platte ausgestaltet sein, die sich von der Turmwand erstreckt. Der Messaufnehmer ist bspw. oberhalb oder unterhalb der Platte an der Turmwand angeordnet, wobei der Messaufnehmer auf die Platte ausgerichtet ist. An der Turmwand ist demnach eine Sichtverbindung oder eine physische Verbindung zwischen dem Marker und dem Messaufnehmer vorgesehen. In one embodiment of the measuring device according to the invention, the sensor and the at least one marker are arranged on a tower wall. The marker can be designed as a plate extending from the tower wall. The sensor is, for example, arranged above or below the plate on the tower wall, wherein the sensor is aligned with the plate. On the tower wall therefore a visual connection or a physical connection between the marker and the sensor is provided.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung sieht vor, dass der Messaufnehmer und der wenigstens eine Marker in einem Inneren des Turms oder in der Turmmitte auf einer Zwischenplatte angeordnet sind. Durch eine Anordnung der Komponenten der Messeinrichtung im Turm sind diese vor Witterungseinflüssen geschützt. An embodiment of the measuring device according to the invention provides that the sensor and the at least one marker are arranged in an interior of the tower or in the center of the tower on an intermediate plate. By arranging the components of the measuring device in the tower they are protected from the weather.
Insbesondere bei der Anordnung des Markers in der Turmmitte auf einer Zwischenplatte ist er gut zu erreichen, sowohl für den Fall einer Wartung, als auch für den Messaufnehmer. In particular, in the arrangement of the marker in the center of the tower on an intermediate plate, it is easy to reach, both in the case of maintenance, as well as for the sensor.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messeinrichtung weist der Marker ein Referenzmuster auf. Bspw. weist der Marker ein Markierungsmuster wie einen Strichcode auf. Über eine optische Nachverfolgung des Markierungsmusters kann seine Bewegung erkannt und ausgewertet werden. Alternativ wird der Messaufnehmer nicht dem Markierungsmuster nachgeführt, sondern es werden von dem Messaufnehmer Änderungen des Musters durch seine Bewegung in Bezug auf einen Fokussierungspunkt, auf den der Messaufnehmer optisch fokussiert, aufgenommen. Gemäß dieser Alternative kann somit der Messaufnehmer dazu eingerichtet sein, über eine Veränderung der Lage des Markers und damit des Markierungsmusters eine Bewegung des Markers zu erkennen.In a further embodiment of the measuring device according to the invention, the marker has a reference pattern. For example. The marker has a marker pattern such as a bar code. An optical tracking of the marking pattern allows its movement to be detected and evaluated. Alternatively, the transducer is not tracked to the marker pattern, but changes in the pattern are recorded by the transducer as it moves relative to a focus point on which the transducer optically focuses. According to this alternative, the sensor can thus be set up to detect a movement of the marker via a change in the position of the marker and thus of the marking pattern.
Weiterhin wird eine Windenergieanlage mit einem Turm und einer Gondel, an der ein Rotor befestigt ist, vorgeschlagen, die eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung aufweist. Furthermore, a wind energy plant with a tower and a nacelle, to which a rotor is attached, is proposed, which has an embodiment of a measuring device according to the invention.
Weiterhin wird eine Windenergieanlage vorgeschlagen mit einem Turm und einer auf dem Turm angeordneten Gondel, wobei die Gondel einen aerodynamischen Rotor aufweist, weiter umfassend einen an dem Turm angeordneten Marker, einen Messaufnehmer zum Aufnehmen einer Bewegung des wenigstens einen Markers, ein Bestimmungsmittel zum Bestimmen wenigstens einer die Schwingung beschreibenden Schwingungsgröße aus der aufgenommenen Bewegung, wobei der Messaufnehmer und der wenigstens eine Marker dazu vorbereitet sind, das Aufnehmen der Bewegung so durchzuführen, dass eine Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer aufgenommen wird. Die Windenergieanlage ist somit besonders dazu vorbereitet, ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform durchzuführen. Der Messaufnehmer und der Marker sind dadurch dazu vorbereitet, das Aufnehmen der Bewegung so durchzuführen, dass eine Bewegung des Markers relativ zu dem Messaufnehmer aufgenommen wird, dass sie zueinander beabstandet angeordnet sind. Besonders weisen sie eine optische Verbindung zueinander auf, oder ein Zugelement, das die relative Bewegung aufnimmt.Furthermore, a wind energy plant is proposed with a tower and a nacelle arranged on the tower, the nacelle having an aerodynamic rotor, further comprising a marker arranged on the tower, a sensor for detecting a movement of the at least one marker, a determining means for determining at least one the vibration descriptive vibration quantity from the recorded motion, wherein the sensor and the at least one marker are prepared to, the recording of the To perform movement so that a movement of the marker is recorded relative to the sensor. The wind turbine is thus particularly prepared to perform a method according to an embodiment. The sensor and the marker are thereby prepared to perform the recording of the movement so that a movement of the marker is recorded relative to the sensor, that they are arranged spaced from each other. In particular, they have an optical connection to each other, or a tension member that receives the relative movement.
Vorzugsweise ist die Windenergieanlage dazu vorbereitet, ein Verfahren gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Insoweit sind auch die dazu vorstehend gemachten Erläuterungen auf die Windenergieanlage anwendbar. Preferably, the wind turbine is prepared to carry out a method according to one of the embodiments described above. In that regard, the explanations made above are applicable to the wind turbine.
Außerdem oder alternativ weist die Windenergieanlage eine Messeinrichtung gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform auf. Ganz allgemein, besonders zu der Windenergieanlage, ist zu beachten, dass Messaufnehmer und Marker solche der Messeinrichtung sind, sofern eine Messvorrichtung verwendet wird.Additionally or alternatively, the wind turbine has a measuring device according to at least one embodiment described above. In general, especially with regard to the wind energy plant, it should be noted that sensors and markers are those of the measuring device, if a measuring device is used.
Vorzugsweise ist die Windenergieanlage dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer in einem Kopf- oder Fußbereich des Turms angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass dort besonders gut Eigenschwingformen der zweiten und höheren Eigenfrequenz erfasst werden können.Preferably, the wind turbine is characterized in that the sensor is arranged in a head or foot area of the tower. It has been shown that natural vibration modes of the second and higher natural frequencies can be recorded there particularly well.
Die Erfindung schlägt somit eine Lösung vor, die Verformungen, Eigenfrequenzen und Eigenschwingformen von Strukturen einer Windenergieanlage zur Überwachung der Schwingungen der Struktur erfassen kann. Dazu ist vorzugsweise ein kontaktloses Messverfahren vorgesehen. Darüber hinaus können Abschätzungen der Strukturlasten im Rahmen eines Lastenüberwachungssystems erweitert werden. Die ermittelten Messdaten lassen sich als Eingaben für lastreduzierende Regelungsstrategien, wie bspw. eine aktive Turmschwingungsdämpfung, verwenden. The invention thus proposes a solution that can detect deformations, natural frequencies and natural vibration modes of structures of a wind turbine for monitoring the vibrations of the structure. For this purpose, a contactless measuring method is preferably provided. In addition, structural load estimates can be extended as part of a load monitoring system. The determined measurement data can be used as inputs for load-reducing control strategies, such as, for example, active tower vibration damping.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying figures.
Durch an der Windenergieanlage
Es wurde erkannt, dass auch weitere Eigenschwingformen an Windenergieanlagentürmen auftreten können, die einen Einfluss auf die Lebensdauer der Windenergieanlagen haben. Eine zweite Eigenschwingform der Windenergieanlage
Die in
Der Marker
Der Messaufnehmer
Es ist vorgesehen, wie auch in
Die Bewegung des Markers
Vorzugsweise wird die Bewegung des Markers
Die Bewegung des Markers
Es ist vorgesehen, dass der Marker
Aus der aufgenommenen Bewegung wird nun eine Schwingungsgröße bestimmt, die die zweite Eigenschwingform der Schwingung des Turms
Das Referenzmuster
Die Referenzmuster sind alternativ außen auf dem Turm angeordnet, bspw. mit einer Lackierung auf der Turmaußenwand. Aus einem Fenster der Gondel wird von einem Messaufnehmer das wandernde Referenzmuster beobachtet und aus der Bewegung wie beschrieben eine Schwingung des Turms ermittelt.The reference patterns are alternatively arranged on the outside of the tower, for example. With a paint on the tower outer wall. From a window of the nacelle is observed by a sensor, the migratory reference pattern and determined from the movement as described a vibration of the tower.
Mit Hilfe der zweiten Eigenschwingform lassen sich weitere auf Windenergieanlagen wirkende Belastungen identifizieren und bestimmen. Mit deren Hilfe können dann Ansätze zur Lebensdauerabschätzung verbessert und Regelalgorithmen in Windenergieanlagen angepasst werden. Bei zu hohen auf den Turm wirkenden Lasten, bspw. durch Überlagerung von Frequenzen, kann bspw. ein Stoppen der Windenergieanlage
Mit Kenntnis der zweiten Eigenfrequenz, kann aber auch so in die Regelung der Anlage eingegriffen werden, dass bspw. der Anstellwinkel der Rotorblätter geändert wird, wodurch sich bspw. geringere Windlasten am Blatt ergeben, die eine Schwingungsgröße reduziert.With knowledge of the second natural frequency, but can also be intervened in the control of the system that, for example, the angle of attack of the rotor blades is changed, resulting, for example, lower wind loads on the sheet, which reduces a vibration magnitude.
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