DE102017121082B4

DE102017121082B4 - Verfahren zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102017121082B4
Application number: DE102017121082.2A
Authority: DE
Inventors: János Zierath; Reik Bockhahn; Sven-Erik Rosenow; Uwe Jassmann; Dirk Abel
Original assignee: W2E WIND TO ENERGY GmbH
Current assignee: W2E WIND TO ENERGY GmbH
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: DE102017121082A1

Abstract

Verfahren zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen umfassend die Verfahrensschritte- Messen der Gierbeschleunigung der Gondel- Messen der Nickbeschleunigung der Gondel- Messung der Rotorposition- Messung von Betriebsdaten wie z.B. Generatordrehzahl, elektrischer Leistung und Blattwinkel- Aerodynamisch-mechanisches Modell zur Bestimmung nicht gemessener Größen unter Verwendung der gemessenen Betriebsdaten- Schätzung der Schubkraft des Rotors unter Verwendung des aerodynamisch-mechanischen Modells- Zusammenführen der Messdaten und Schätzungen- Rekonstruktion der Blattlasten für jedes Rotorblatt einzeln und- Verstellung jedes einzelnen Rotorblattes in der Art, dass der Abstand der Richtung der resultierenden Schubkraft zur Drehachse des Rotors minimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen. Daneben betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die geeignet ist, das Verfahren zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen durchzuführen.
Stand der Technik
Die Windenergienutzung ist die Schlüsseltechnologie um die Stromerzeugung in Deutschland auf erneuerbare Energien umzustellen. Mit zunehmendem Marktanteil und perspektivisch verringerter Förderung für Windstrom werden deren Stromgestehungskosten zukünftig wesentlichen Einfluss auf die Strompreise der Verbraucher nehmen. Ein Hebel zur Reduktion der Stromgestehungskosten von Windenergieanlagen ist die Verringerung des Materialeinsatzes und die Erhöhung der Lebensdauer. Beides ist untrennbar mit den mechanischen Belastungen, die eine Windenergieanlage erfährt, verknüpft. Dieses Vorhaben widmet sich der Bestimmung und der Reduktion dieser Lasten.
Die mechanischen Belastungen einer Windenergieanlage werden hauptsächlich durch die vorherrschenden Strömungsverhältnisse am Rotor bestimmt. Durch regelungstechnische Eingriffe können diese Belastungen beeinflusst und sogar reduziert werden. Dazu ist es selbstverständlich von Vorteil, wenn die Belastungen messbar oder in anderer Form erfassbar sind. Schnittkräfte und -momente, hervorgerufen durch die Kraftverteilung entlang der Rotorblätter, können durch optische oder elektrische Messverfahren in den Rotorblättern bestimmt werden. Aufgrund der Vielzahl notwendiger Sensoren, deren geringe Robustheit und hohe Kosten, sind derartige Messsysteme bisher überwiegend in Prototypen installiert, in Serienprodukten jedoch nur in einem geringen Umfang.
So wurden in der Vergangenheit diverse Vorrichtungen vorgestellt, um die Lasten an Rotorblättern zu bestimmen und die Ergebnisse für den Betrieb anzuwenden. So ist gemäß DE 10 2010 024 251 A1 ein Verfahren zur Ermittlung eines Schätzwertes für zumindest eine Messgröße vorgestellt, wobei die Messgröße ein Biegemoment an der Blattwurzel sein kann. Zu diesem Zweck wird zunächst der Anstellwinkel des Rotorblattes ermittelt. Weitere Messgrößen werden eingelesen und gemeinsam mit der Information zum Anstellwinkel zu einem Schätzwert für eine Messgröße, insbesondere das Biegemoment an der Blattwurzel, kombiniert, der dann zur Anpassung der Messgröße, insbesondere das Biegemoment an der Blattwurzel, herangezogen wird. Zu den Messgrößen gehören auch die Blattwurzelmomente, deren Messung immer mit einem erhöhten Aufwand, einer gewissen Ausfallrate der Sensoren und schlechterer Wartbarkeit verbunden ist.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren bereitzustellen, welches auf Basis einer minimalsensorischen Messkonfiguration und eines modellbasierten Algorithmus die dynamischen Belastungen der einzelnen Rotorblätter in Echtzeit bestimmt. Dabei ist es das Ziel, die absoluten Werte der Belastungen mit einer Genauigkeit von 90%-95% zu bestimmen. Wichtiger als die absoluten Werte sind jedoch die dynamischen Anteile, da diese maßgeblich die Ermüdung bestimmen und durch eine Regelung beeinflussbar sind, während die mittleren, absoluten Beträge im Sinne der Energiewandlung unausweichlich ungleich Null sind. Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren nach Anspruch 1. Die davon abhängigen Unteransprüche stellen Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Vorrichtung bereitzustellen, die zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Diese Vorrichtung wird in Anspruch 6 beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen umfasst mehrere Verfahrensschritte. Zunächst erfolgen die Messung der Gierbeschleunigung und die Messung der Nickbeschleunigung der Gondel. Zudem wird die Rotorposition gemessen. Weiterhin werden Betriebsdaten wie Generatordrehzahl, elektrischer Leistung und Blattwinkel ermittelt. Aus den Messdaten wird ein aerodynamisch-mechanisches Modell zur Bestimmung nicht gemessener Größen unter Verwendung der gemessenen Betriebsdaten entwickelt. Auf Basis dieses aerodynamisch-mechanischen Modells wird eine Schätzung der Schubkraft des Rotors vorgenommen. Messdaten und Schätzungen werden sodann zusammengeführt und daraus die Blattlasten für jedes Rotorblatt einzeln rekonstruiert. Die so ermittelten Größen können dann zur Regelung der einzelnen Blätter unter Anwendung der rekonstruierten Blattlasten herangezogen werden. Hierbei erfolgt eine Verstellung jedes einzelnen Rotorblattes, sodass der Abstand der Richtung der resultierenden Schubkraft zur Drehachse des Rotors minimiert wird. Hierfür werden die Blattlasten stets relativ zum Zentrum des Rotors rekonstruiert. Bei einem Verstellen der Blätter zur Reduktion von Rotorlasten nach Rekonstruktion der Blattlasten wird der Abstand des Angriffspunktes zum Zentrum minimiert. Auf Basis einer minimalsensorischen Messkonfiguration und des modellbasierten Algorithmus werden die dynamischen Belastungen der einzelnen Rotorblätter in Echtzeit bestimmt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird, im Unterschied zu heute verfügbaren Messsystemen, keine Messtechnik in die Rotorblätter oder sogar den Faserverbundwerkstoff dieser eingebracht. Diese Vorteile werden dadurch erkauft, dass die dynamischen Anteile der Belastungen zwar relativ exakt bestimmt werden können, die absoluten jedoch einer Unsicherheit von ca. 10% unterliegen werden. Für die Nutzung in der Regelung stellt dies jedoch keinerlei Einschränkung dar.
Um den Nutzen dieses dynamischen Lastenschätzers darzustellen, sollen die ermittelten dynamischen Belastungen nutzbar gemacht werden. Dazu wird eine bereits vorhandene Anlagenregelung als Ausgangspunkt genutzt und so ergänzt, dass die ermittelten dynamischen Belastungen als Messgröße berücksichtigt und aktiv verringert werden können.
Die erfindungsgemäße Regelung wird dadurch dargestellt, dass das Modellwissen, welches zur Rekonstruktion der mechanischen Belastungen genutzt wird, hier ebenfalls in der Regelung berücksichtigt werden soll. Dazu wird anhand der Lastverteilung über die Rotorfläche und der aktuellen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors prädiziert, wie sich diese Lasten zukünftig neu verteilen und welche Auswirkungen dies auf die Blattwurzelmomente und das Schwingungsverhalten der Rotorblätter und damit des Turms hat. Diese Prädiktion soll eine pro-aktive Reaktion der Regelung ermöglichen, um die Dynamik der Blattwurzelmomente zu reduzieren.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen erfolgt die Messung der Gierbeschleunigung und Nickbeschleunigung orthogonal zur Rotorebene.
Das Gieren bezeichnet die Drehung φ_z der Windkraftanlage um ihre Hochachse durch den Turm. Es gilt: $J_{z} {\ddot{φ}}_{z} = F_{s} d_{y}$
$d_{y} = \frac{J_{z} {\ddot{φ}}_{z}}{F_{s}}$
Dabei bezeichnet F_s die resultierende Schubkraft auf Basis eines Schätzers. Hierin ist I_z die Massenträgheit des Rotors und der Gondel um die Hochachse z, φ̈_z die Winkelbeschleunigung der Gondel um die Hochachse und d_y der horizontale Abstand der Schubkraft von der Mittelachse.
Das Nicken ergibt sich aus: $J_{y} {\ddot{φ}}_{y} = F_{s} d_{z}$
$d_{z} = \frac{J_{y} {\ddot{φ}}_{y}}{F_{s}}$
Hierin ist J_y die Massenträgheit des Rotors und der Gondel um die Querachse y, φ̈_y die Winkelbeschleunigung der Gondel um die Querachse und d_z der vertikale Abstand der Schubkraft von der Mittelachse.
Weiterhin ist nach einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen vorgesehen, dass die gemessenen Beschleunigungen orthogonal zur Rotorebene zusammengeführt werden. Dieses hat den Grund, dass so die Messachsen besser beschrieben und die Messergebnisse daher mit erhöhter Genauigkeit dargestellt werden können.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen bleibt bei Durchführung des Verfahrens die Gondel in Windrichtung ausgerichtet. Neben dem Vorteil, dass die Windkraftanlage nicht aus dem Betrieb genommen werden muss, um die Messungen durchzuführen, ist die Ausrichtung in Windrichtung vor allem dazu gedacht, unter Windlast geeignete Messwerte zu erzielen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen erfolgt die Rekonstruktion der Blattlasten aus den gemessenen und geschätzten Eingangswerten auf Basis des dynamischen Kräfte- und Momentengleichgewichts. Bei einem außermittigen Kräfteangriff besteht eine Beziehung zwischen den Angriffspunkten auf die einzelnen Blätter. Es gilt: $J_{z} {\ddot{φ}}_{z} + F_{1} sin (α) r_{b} + F_{2} sin (60^{\circ} - α) r_{b} - F_{3} sin (60^{\circ} + α) r_{b} = 0$
$J_{y} {\ddot{φ}}_{y} + F_{1} cos (α) r_{b} + F_{2} cos (60^{\circ} - α) r_{b} - F_{3} cos (60^{\circ} + α) r_{b} = 0$
$F_{1} + F_{2} + F_{3} = F_{S}$
wobei α den Winkel zwischen der Blattachse durch einen Angriffspunkt und der Lotrechten durch die Nabenmitte beschreibt. Darüber hinaus sind F₁,F₂ und F₃ die Schubkräfte der Blätter 1, 2 und 3, sowie r_b der Abstand des Lastangriffspunktes eines Blattes von der Rotormitte.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen umfasst Messsensorik zur Erfassung der Gierbeschleunigung, Messsensorik zur Erfassung der Nickbeschleunigung, eine Steuerungseinheit sowie Mittel zur Verbindung von Steuerungseinheit und Messsensoriken. Darüber hinaus sind Mittel zur Verbindung der Steuerungseinheit mit der Windenergieanlagensteuerung vorgesehen, wobei keine Messsensorik außer der Blattwinkelmessung in den Rotorblättern angeordnet ist. Die Rotorblätter sind ein vergleichsweise empfindliches Element im Gesamtkonstrukt der Windkraftanlage, so dass jede Ergänzung von Messtechnik zu einer Schädigung des Blattkörpers führen kann. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sensorik verzichtet auf meist teure Sensoren, die in der Messdatenübergabe oft sehr kompliziert ausgestaltet sind. So wird ein Low-Cost-System erreicht, dass auch nachgerüstet werden kann, ohne dass die Rotorblätter angepasst werden müssen.
Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen in

1 die Ansicht eines Rotors mit der Lage des Angriffspunktes der resultierenden Schubkraft,
2 die Schrägansicht einer Gondel mit der Erfassung von Messgrößen zur Ermittlung der Schubkraft und
3 eine schematische Darstellung des Systemaufbaus der Vorrichtung.

In 1 ist die Ansicht eines Rotors 1 zu sehen. In dieser stilisierten Darstellung, in der die Nabe 2 und Rotorblätter 3 erkennbar sind, ist auch die Lage des Angriffspunktes 4 der resultierenden Schubkraft erkennbar. Im Idealfall fällt der Angriffspunkt 4 der resultierenden Schubkraft auf die Mittelachse der Nabe 2. In der Regel weicht der Angriffspunkt 4 der resultierenden Schubkraft aber von der Mittelachse der Nabe 2 ab. Der Umfang der Abweichung lässt sich über ein Koordinatensystem aufzeigen, dessen Ursprung auf der Mittelachse der Nabe 2 angeordnet wird. Da die Schubkraft nicht auf das Zentrum des Rotors 1 wirkt, sondern außenmittig angreift, entstehen Momente, die Beschleunigungen der den Rotor 1 tragenden und nicht dargestellten Gondel 5 herbeiführen. Diese Beschleunigungen lassen sich messen. Daneben sind die auf die Rotorblätter 3 wirkenden Schubkräfte F₁,F₂ und F₃ in der 1 dargestellt, die in einem Abstand r_b zur Nabe 2 liegen. Der für die Verwendung innerhalb des Verfahrens notwendige Winkel α zwischen der Blattachse durch einen Angriffspunkt und der Lotrechten durch die Nabenmitte ist ebenfalls zu entnehmen. Mit Hilfe der Messungen lassen sich erfindungsgemäß Einstellungen für die Windkraftanlage errechnen, die dazu führen, dass der Angriffspunkt 4 der resultierenden Schubkraft wieder näher an die Mittelachse der Nabe 2 heranrückt. So können die Kräfte, die auf die Rotorblätter 3 und weitere Bauteile der Windkraftanlage wirken, besser reduziert und so die mittlere Lebensdauer der entsprechend ausgestatteten Anlage vergrößert werden.
2 zeigt die Schrägansicht einer Gondel 5. Neben den Rotorblättern 3 sind das Gondelgehäuse mit einigen Ausgestaltungen zu erkennen. Auch ist in der Figur der Angriffspunkt 4 dargestellt, der außerhalb der Mittelachse 6 durch die Nabe 2 liegt. Durch Erfassung von Messgrößen 7 in Innern der Gondel 5 werden Informationen über die Lage des Angriffspunktes 4 ermittelt und in einer nicht näher dargestellten Steuereinheit dazu herangezogen, um die Rotorblätter der Windkraftanlage in eine derart optimale Position zu verdrehen, dass der Angriffspunkt 4 nahe am Ideal auf der Mittelachse 6 liegt.
3 zeigt den systematischen Systemaufbau der Vorrichtung. Die Windkraftanlage (WEA) liefert Betriebsdaten, die in das aerodynamisch-mechanische Modell einfließen. Gleichzeitig werden Gier- und Nickbeschleunigungen gemessen. Während aus dem aerodynamisch-mechanischem Modell die Schubkraft des Rotors angeleitet wird, werden aus den Messungen heraus die Winkelbeschleunigungen der Gondel bestimmt. Beide Größen werden zur Rekonstruktion der Blattdaten herangezogen und fließen in eine Regelung ein, genau so, wie auch die Betriebsdaten der WEA herangezogen werden. Die Regelung führt zu einer Veränderung der ermittelten Betriebsdaten aber auch zu einer Veränderung der Messdaten, so dass ein permanenter Kreislauf erreicht werden kann, mit dessen Hilfe die WEA in der Nähe des Optimums betrieben werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Nabe
3: Rotorblatt
4: Angriffspunkt
5: Gondel
6: Mittelachse
7: Messgröße

Claims

Verfahren zur Rekonstruktion und Reduktion von Rotorlasten an Windenergieanlagen umfassend die Verfahrensschritte - Messen der Gierbeschleunigung der Gondel - Messen der Nickbeschleunigung der Gondel - Messung der Rotorposition - Messung von Betriebsdaten wie z.B. Generatordrehzahl, elektrischer Leistung und Blattwinkel - Aerodynamisch-mechanisches Modell zur Bestimmung nicht gemessener Größen unter Verwendung der gemessenen Betriebsdaten - Schätzung der Schubkraft des Rotors unter Verwendung des aerodynamisch-mechanischen Modells - Zusammenführen der Messdaten und Schätzungen - Rekonstruktion der Blattlasten für jedes Rotorblatt einzeln und - Verstellung jedes einzelnen Rotorblattes in der Art, dass der Abstand der Richtung der resultierenden Schubkraft zur Drehachse des Rotors minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Gierbeschleunigung und Nickbeschleunigung orthogonal zur Rotorebene erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Beschleunigungen orthogonal zur Rotorebene zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Durchführung des Verfahrens die Gondel in Windrichtung ausgerichtet bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonstruktion der Blattlasten aus den gemessenen und geschätzten Eingangswerten auf Basis des dynamischen Kräfte- und Momentengleichgewichts erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 umfassend - Messsensorik zur Erfassung der Gierbeschleunigung, - Messsensorik zur Erfassung der Nickbeschleunigung, - eine Steuerungseinheit sowie - Mittel zur Verbindung Steuerungseinheit und Messsensoriken, und - Mittel zur Verbindung der Steuerungseinheit mit der Windenergieanlagensteuerung, wobei keine Messsensorik außer der Blattwinkelmessung in den Rotorblättern angeordnet ist.