DE102019117934A1

DE102019117934A1 - Verfahren zur aerodynamischen Leistungsregelung einer eine Mehrzahl von Rotorblättern aufweisenden Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102019117934A1
Application number: DE102019117934.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Osthorst
Original assignee: Aerodyn Product and License GmbH; Aerodyn Product License GmbH
Current assignee: AEROVIDE PRODUCT + LICENSE GMBH, DE
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-01-07

Abstract

Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern, einem den Pitch-Winkel je eines Rotorblatts einstellenden Pitch-Antriebssystem mit einer der Anzahl von Rotorblättern entsprechenden Mehrzahl von Pitch-Antrieben und einer auf das Pitch-Antriebssystem wirkenden Anlagensteuerung, wobei die Anlagensteuerung ausschließlich zum Vorgeben eines einheitlichen Sollwerts für die einzustellenden Pitch-Winkel eingerichtet ist, gekennzeichnet durch eine in der Signalübertragung zwischen der Anlagensteuerung und dem Pitch-Antriebssystem angeordnete Rotorblattsteuerung, die zum Empfang des einheitlichen Pitch-Sollwerts von der Anlagensteuerung und zur Übermittlung von vom einheitlichen Pitch-Sollwert abweichenden individuellen Pitch-Sollwerte an das Pitch-Antriebssystem eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aerodynamischen Leistungsregelung einer eine Mehrzahl von Rotorblättern aufweisenden Windenergieanlage mit aktiver Pitch-Regelung.
Wie bekannt sind Windenergieanlagen allgemein so ausgelegt, dass diese bereits bei mittleren Windgeschwindigkeiten ihre Nennleistung erreichen. Um die Drehzahl des Rotors trotz schwankender Windstärken annähernd konstant zu halten, ist eine Regelung der Leistungsaufnahme erforderlich, die durch Verdrehen der Rotorblätter um deren Pitch-Achse auf geeignete Pitch-Winkel erfolgt. Insbesondere ältere Windenergieanlagen sind dabei so eingerichtet, dass die Anlagensteuerung dem Pitch-Antriebssystem für alle Rotorblätter des Rotors einen einheitlichen Sollwert für die einzustellenden Pitch-Winkel, im Folgenden „Pitch-Sollwert“, vorgibt.
Eine derartige, aus dem Stand der Technik bekannte Steuerung einer Windenergieanlage ist in 1 schematisch dargestellt:

Auf der Grundlage eines oder mehrerer vorbestimmter Betriebsparameter, beispielsweise die Generatorleistung, das Generatordrehmoment, die Rotordrehzahl und die Rotorbeschleunigung, gibt die Anlagensteuerung der Windenergieanlage für jedes der Rotorblätter - im gezeigten Beispiel drei Rotorblätter - einen einheitlichen Pitch-Sollwert vor, d.h. jeweils einen einen Pitch-Antrieb ansteuernden Pitch-Sollwert, wobei der Wert der Pitch-Sollwerte identisch ist. Der Pitch-Antrieb stellte dabei eine funktionale Einheit dar, die das Einstellen des Pitch-Winkels eines Blattes bewerkstelligt und gegebenenfalls mehrere Aktuatoren aufweisen kann.

Die Pitch-Sollwerte werden von der Anlagensteuerung an das Pitch-Antriebssystem übermittelt, das die entsprechende Einstellung der Pitch-Winkel mittels der Pitch-Antriebe ausführt. Gleichzeitig ermittelt das Pitch-Antriebsystem die individuellen, aktuell vorliegenden Pitch-Winkel, im Folgenden „Pitch-Istwerte“, der Rotorblätter und gibt diese an die Anlagensteuerung zurück, wobei auf der Grundlage der individuellen Pitch-Istwerte der Rotorblätter im Zusammenhang mit den vorbestimmten Betriebsparametern ein neuer einheitlicher Pitch-Sollwert vorgegeben wird.
Der Vorteil dieser bekannten Windenergieanlagen besteht also in einer Anlagensteuerung mit einem einfachen und robusten Regler, der im Wesentlichen anhand von Generatorleistung oder -drehmoment, Rotordrehzahl und -beschleunigung und den individuellen Pitch-Istwerten den einheitlichen Pitch-Sollwert ermittelt.
Viele bestehende Windenergieanlagen mit einer einen einheitlichen Pitch-Sollwert vorgebenden Anlagensteuerung sind mit einem Pitch-Antriebssystem ausgestattet, bei dem jedes Rotorblatt einen Pitch-Antrieb hat, der von den Pitch-Antrieben der übrigen Rotorblätter des Rotors mechanisch und elektrisch unabhängig betrieben wird. Dies ist eine notwendige Eigenschaft von Pitch-Antriebssystemen für Windkraftanlagen im Megawatt-Bereich, um im Störfall eines Pitch-Antriebs an einem Rotorblatt die aerodynamische Bremsfunktion des Rotors durch davon unabhängiges, gesichertes Verstellen der übrigen Rotorblätter über deren Pitch-Antriebe gewährleisten zu können.
Nachteilig an den bekannten Anlagen ist jedoch, dass sich aus dieser Einfachheit derartiger Systeme gegenüber Windkraftanlagen mit einer individuellen Pitch-Regelung (IPC) zur aerodynamischen Leistungsregelung Nachteile hinsichtlich der Lastverteilung auf den Rotor und damit der Betriebslasten auf die Windenergieanlage und deren Verschleiß ergeben. Individuelle Pitch-Regelung bedeutet dabei, dass mindestens ein Rotorblatt über das Pitch-Antriebssystem auf einen Pitch-Sollwert eingestellt wird, der individuell von den Pitch-Sollwerten eines anderen Rotorblatts des Rotors abweicht, um einer ansonsten asymmetrischen Belastung des Rotors, verursacht durch eine über die Rotorfläche ungleichmäßige Verteilung der Windverhältnisse, entgegenzuwirken. Eine solche individuelle Pitch-Regelung ist beispielsweise aus EP 0 998 634 A bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bestehende Windenergieanlagen mit einer einen einheitlichen Pitch-Sollwert vorgebenden Anlagensteuerung so zu modifizieren, dass diese - ohne tiefgreifende Veränderungen an der Windenergieanlage bzw. deren Anlagensteuerung und Pitch-Antriebssystem vorzunehmen - mit einer verbesserten Lastverteilung auf den Rotor und dadurch mit verringerten Betriebslasten und entsprechend verringertem Verschleiß betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird auch durch die Windenergieanlage mit den Merkmalen von Anspruch 5 gelöst. Die Unteransprüche geben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Grundgedanke der Erfindung ist es, in die Kommunikationsleitung zwischen der Anlagensteuerung und dem Pitch-Antriebssystem eine zusätzliche Rotorblattsteuerung nachzurüsten, die aus der anlagensteuerungsseitigen Vorgabe eines einheitlichen Pitch-Sollwerts durch individuelle Winkelkorrekturwerte entsprechend individuelle Pitch-Sollwerte für jedes Rotorblatt erzeugt und an das Pitch-Antriebssystem weitergibt. Sofern für den Betrieb erforderlich, können die sich einstellenden Pitch-Istwerte jedes Rotorblatts, bevorzugt mittels der zuvor jeweils auf den einheitlichen Pitch-Sollwert aufgeschlagenen Winkelkorrekturwerte zurückkorrigiert, an die Anlagensteuerung zurückgegeben werden, wobei alle für die Rotorblattregelung erforderlichen Daten aus Messtechnik der Rotorblattsteuerung ermittelt werden. Dieses Vorgehen ermöglicht eine optimierte Anpassung der Pitch-Winkel zur Verminderung der Betriebslasten auf die Windenergieanlage bei unveränderter Leistungsabgabe in den innerhalb der Anlagensteuerung unverändert festgelegten Betriebsgrenzen und damit zur Reduzierung des Risikos möglicher Schäden durch Verschleiß oder zur möglichen Verlängerung der zulässigen Betriebsdauer der Windenergieanlage.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Rotorblattsteuerung als Nachrüstsystem in vorhandene Anlagen eingebaut werden kann, um die bestehende Anlage auf eine individuelle Pitch-Regelung (IPC) umzurüsten, ohne in die vorhandene Anlagensteuerung oder das vorhandene Pitch-Antriebssystem einzugreifen.
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur aerodynamischen Leistungsregelung einer Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern, einem eine der Anzahl der Rotorblätter entsprechenden Anzahl von Pitch-Antrieben aufweisenden Pitch-Antriebssystem, und einer mit dem Pitch-Antriebssystem kommunizierenden Anlagensteuerung, wobei die Anlagensteuerung zum Übermitteln einer der Anzahl der Pitch-Antriebe entsprechenden Anzahl von identischen einheitlichen Pitch-Sollwerten an das Pitch-Antriebssystem und das Pitch-Antriebssystem zum Übermitteln einer der Anzahl der Pitch-Antriebe entsprechenden Anzahl von individuellen Pitch-Istwerten an die Anlagensteuerung eingerichtet ist, mit den Schritten:

a. Übermitteln einer der Anzahl von Pitch-Antrieben entsprechenden Anzahl von vorbestimmten einheitlichen Pitch-Sollwerten mit identischem Wert von der Anlagensteuerung an eine zwischen der Anlagensteuerung und dem Pitch-Antriebssystem angeordnete Rotorblattsteuerung,
b. Erfassen der auf jedes Rotorblatt wirkenden Lasten mittels einer mit der Rotorblattsteuerung kommunizierenden Sensorik,
c. Erzeugen jeweils eines auf jedes Rotorblatt individuell wirkende Lasten berücksichtigenden Winkelkorrekturwerts und Korrigieren des jeweiligen einheitlichen Pitch-Sollwerts um den jeweiligen Winkelkorrekturwert unter Erhalt von der Anzahl der Rotorblätter entsprechenden individuellen Pitch-Sollwerten mittels der Rotorblattsteuerung,
d. Übermitteln der individuellen Pitch-Sollwerte von der Rotorblattsteuerung an das Pitch-Antriebssystem und Einstellen des Pitch-Winkels jedes Rotorblatts mit dem jeweiligen individuellen Pitch-Sollwert mittels der Pitch-Antriebe,
e. Erfassen der Pitch-Istwerte jedes Rotorblatts als individuelle Pitch-Istwerte durch das Pitch-Antriebssystem und Übermitteln der individuellen Pitch-Istwerte von dem Pitch-Antriebssystem an die Rotorblattsteuerung,
f. Erzeugen von korrigierten individuellen Pitch-Istwerten durch Subtraktion des für jedes Blatt zuvor ermittelten Winkelkorrekturwerts vom jeweiligen Pitch-Istwert,
g. Übermitteln einer der Anzahl der den Pitch-Antrieben entsprechenden Anzahl von korrigierten individuellen Pitch-Istwerten von der Rotorblattsteuerung an die Anlagensteuerung und
h. Wiederholen wenigstens der Schritte a bis g, wobei die zu übermittelnden einheitlichen Pitch-Sollwerte auf der Grundlage der von der Anlagensteuerung empfangenen korrigierten individuellen Pitch-Istwerte und wenigstens einem Betriebsparameter der Windenergieanlage vorbestimmt werden.

Bevorzugt vorgesehen ist, dass das Erfassen der auf jedes Rotorblatt wirkenden Lasten das Erfassen der Rotorposition, der Rotorgeschwindigkeit und/oder der Rotorbeschleunigung aufweist. Entsprechend ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass das Erzeugen des Winkelkorrekturwerts unter Berücksichtigung der Rotorposition, der Rotorgeschwindigkeit und/oder der Rotorbeschleunigung erfolgt.
Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass der wenigstens eine Betriebsparameter - wie bekannt - ausgewählt ist aus der Gruppe von Betriebsparametern bestehend aus Generatorleistung, Generatordrehmoment, Rotordrehzahl und Rotorbeschleunigung.
Des Weiteren wird eine (nachgerüstete) Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern und einem, den Pitch-Winkel je eines Rotorblatts einstellende Pitch-Antriebe aufweisenden Pitch-Antriebssystems und einer einen für jedes Rotorblatt einheitlichen Pitch-Sollwert vorgebenden Anlagensteuerung vorgeschlagen, wobei die Anlagensteuerung ausschließlich zum Vorgeben eines einheitlichen Pitch-Sollwerts eingerichtet und eine in der Signalübertragung zwischen der Anlagensteuerung und dem Pitch-Antriebssystem angeordnete Rotorblattsteuerung vorgesehen ist, die zum Empfang des einheitlichen Pitch-Sollwerts von der Anlagensteuerung und zum Senden von vom einheitlichen Pitch-Sollwert gegebenenfalls abweichenden, individuellen Pitch-Sollwerten an das Pitch-Antriebssystem eingerichtet ist.
Insgesamt ist die erfindungsgemäß eingerichtete Windenergieanlage zum Ausführen des zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Die Rotorblattsteuerung ist bevorzugt zum Senden von individuellen Pitch-Sollwerten innerhalb einer vorbestimmten, vom einheitlichen Pitch-Sollwert abweichenden Toleranz eingerichtet, wobei die individuellen Pitch-Sollwerte besonders bevorzugt unter Berücksichtigung der bei nach einheitlichem Pitch-Sollwert eingestelltem Pitch-Winkel am jeweiligen Rotorblatt auftretenden Lasten für jedes Rotorblatt leistungsoptimierte Pitch-Sollwerte sind. Speziell handelt es sich dabei unter Berücksichtigung der bei nach einheitlichem Pitch-Sollwert eingestelltem Pitch-Winkel am jeweiligen Rotorblatt ermittelten Rotorposition, Rotorgeschwindigkeit und Rotorbeschleunigung um für jedes Rotorblatt leistungsoptimierte Pitch-Sollwerte.
Schließlich ist die Anlagensteuerung bevorzugt - wie bekannt - in einem Turm oder einer Gondel der Windenergieanlage und sind das Pitch-Antriebssystem, sowie die Rotorblattsteuerung bevorzugt in einer Nabe der Windenergieanlage angeordnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in 2 dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispiels näher erläutert. 2 zeigt dabei die schematische Struktur einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage nach der Erfindung.
Die Anlagensteuerung ist - wie bekannt - im Turm, insbesondere im Bereich des Turmfußes oder in der Gondel angeordnet, wobei eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung zum Pitch-Antriebssystem besteht, die die Verwendung von Schleifringen beinhaltet. In der Nabe und damit in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Pitch-Antriebssystem ist als Ergänzungs- oder besonders bevorzugt als Nachrüstsystem eine mit der gestrichelten Linie umrandete Rotorblattsteuerung vorgesehen.
Die Rotorblattsteuerung verarbeitet die von jedem einzelnen Blatt empfangenen Lastsignale, ermittelt dazu optimierende Winkelkorrekturwerte und führt eine individuelle Korrektur des von der Anlagensteuerung vorgegebenen, einheitlichen Pitch-Sollwerts (bevorzugt innerhalb einer vorbestimmten Toleranz) hin zu individuellen Pitch-Sollwerten für jedes einzelne Rotorblatt durch.
Als Grundlage für die Ermittlung eines optimierenden Winkelkorrekturwerts dient die durch entsprechende Sensoren vermittelte Lastmessung jedes einzelnen Rotorblatts unter Berücksichtigung der Rotorposition, der Rotorgeschwindigkeit und der Rotorbeschleunigung.
Besonders bevorzugt werden im gezeigten Beispiel die drei individuellen, vom Pitch-Antriebssystem empfangenen Pitch-Istwerte durch die zuvor zur Erzeugung des individuellen Pitch-Sollwerts verwendeten Winkelkorrekturwerte korrigiert als korrigierte individuelle Pitch-Istwerte an die Anlagensteuerung zurückgegeben. Über den originalen Anlagenregelalgorithmus verifiziert diese die Einhaltung der zulässigen Abweichungen der rückwärts korrigierten Pitch-Istwerte untereinander und vom vorherigen, einheitlichen Pitch-Sollwert und ermittelt daraufhin den neuen, einheitlichen Pitch-Sollwert.
Die Durchführung des oben genannten Verfahrens erreicht in jedem Regelschritt eine verbesserte Lastverteilung auf den Rotor und dadurch verringerte Betriebslasten und entsprechend verringertem Verschleiß an der Windenergieanlage, ohne dabei Art und Anzahl der Signale an den Ein- und Ausgängen von Anlagensteuerung und Pitch-Antriebssystem zu ändern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0998634 A [0007]

Claims

Verfahren zur aerodynamischen Leistungsregelung einer Windenergieanlage mit - einer Mehrzahl von Rotorblättern, - einem eine der Anzahl der Rotorblätter entsprechenden Anzahl von Pitch-Antrieben aufweisenden Pitch-Antriebssystem, und - einer mit dem Pitch-Antriebssystem kommunizierenden Anlagensteuerung, wobei die Anlagensteuerung zum Übermitteln einer der Anzahl der Pitch-Antriebe entsprechenden Anzahl von identischen einheitlichen Pitch-Sollwerten an das Pitch-Antriebssystem und das Pitch-Antriebssystem zum Übermitteln einer der Anzahl der Pitch-Antrieb entsprechenden Anzahl von individuellen Pitch-Istwerten an die Anlagensteuerung eingerichtet ist, mit den Schritten: a. Übermitteln einer der Anzahl von Pitch-Antrieben entsprechenden Anzahl von vorbestimmten einheitlichen Pitch-Sollwerten mit identischem Wert von der Anlagensteuerung an eine zwischen der Anlagensteuerung und dem Pitch-Antriebssystem angeordnete Rotorblattsteuerung, b. Erfassen der auf jedes Rotorblatt wirkenden Lasten mittels einer mit der Rotorblattsteuerung kommunizierenden Sensorik, c. Erzeugen jeweils eines auf jedes Rotorblatt individuell wirkende Lasten berücksichtigenden Winkelkorrekturwerts und Korrigieren des jeweiligen einheitlichen Pitch-Sollwerts um den jeweiligen Winkelkorrekturwert unter Erhalt von der Anzahl der Rotorblätter entsprechenden individuellen Pitch-Sollwerten mittels der Rotorblattsteuerung, d. Übermitteln der individuellen Pitch-Sollwerte von der Rotorblattsteuerung an das Pitch-Antriebssystem und Einstellen des Pitch-Winkels jedes Rotorblatts mit dem jeweiligen individuellen Pitch-Sollwert mittels der Pitch-Antriebe, e. Erfassen der Pitch-Istwerte jedes Rotorblatts als individuelle Pitch-Istwerte durch das Pitch-Antriebssystem und Übermitteln der individuellen Pitch-Istwerte von dem Pitch-Antriebssystem an die Rotorblattsteuerung, f. Erzeugen von korrigierten individuellen Pitch-Istwerten durch Subtraktion des für jedes Blatt zuvor ermittelten Winkelkorrekturwerts vom jeweiligen Pitch-Istwert, g. Übermitteln einer der Anzahl der den Pitch-Antrieben entsprechenden Anzahl von korrigierten individuellen Pitch-Istwerten von der Rotorblattsteuerung an die Anlagensteuerung und h. Wiederholen wenigstens der Schritte a bis g, wobei die zu übermittelnden einheitlichen Pitch-Sollwerte auf der Grundlage der von der Anlagensteuerung empfangenen korrigierten individuellen Pitch-Istwerte und wenigstens einem Betriebsparameter der Windenergieanlage vorbestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen der auf jedes Rotorblatt wirkenden Lasten das Erfassen der Rotorposition, der Rotorgeschwindigkeit und/oder der Rotorbeschleunigung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Winkelkorrekturwerts unter Berücksichtigung der Rotorposition, der Rotorgeschwindigkeit und/oder der Rotorbeschleunigung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Betriebsparameter ausgewählt ist aus der Gruppe von Betriebsparametern bestehend aus Generatorleistung, Generatordrehmoment, Rotordrehzahl und Rotorbeschleunigung.
Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von Rotorblättern, einem den Pitch-Winkel je eines Rotorblatts einstellenden Pitch-Antriebssystem mit einer der Anzahl von Rotorblättern entsprechenden Mehrzahl von Pitch-Antrieben und einer auf das Pitch-Antriebssystem wirkenden Anlagensteuerung, wobei die Anlagensteuerung ausschließlich zum Vorgeben eines einheitlichen Pitch-Sollwerts eingerichtet ist, gekennzeichnet durch eine in der Signalübertragung zwischen der Anlagensteuerung und dem Pitch-Antriebssystem angeordnete Rotorblattsteuerung, die zum Empfang des einheitlichen Pitch-Sollwerts von der Anlagensteuerung und zur Übermittlung von vom einheitlichen Pitch-Sollwert abweichenden individuellen Pitch-Sollwerte an das Pitch-Antriebssystem eingerichtet ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorblattsteuerung zum Senden von individuellen Pitch-Sollwerten innerhalb einer vorbestimmten vom einheitlichen Pitch-Sollwert abweichenden Toleranz eingerichtet ist.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Pitch-Sollwerte unter Berücksichtigung der bei nach einheitlichem Pitch-Sollwert eingestelltem Pitch-Winkel am jeweiligen Rotorblatt auftretenden Lasten für jedes Rotorblatt leistungsoptimierte Pitch-Sollwerte sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Pitch-Sollwerte unter Berücksichtigung der bei nach einheitlichem Pitch-Sollwert eingestelltem Pitch-Winkel am jeweiligen Rotorblatt ermittelten Rotorposition, Rotorgeschwindigkeit und/oder Rotorbeschleunigung für jedes Rotorblatt leistungsoptimierte Pitch-Sollwerte sind.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagensteuerung in einem Turm oder einer Gondel der Windenergieanlage und die Rotorblattsteuerung in einer Rotornabe der Windenergieanlage angeordnet sind.