DE112010002632T5

DE112010002632T5 - Verfahren zum Auswuchten einer Windenergieanlage

Info

Publication number: DE112010002632T5
Application number: DE112010002632T
Authority: DE
Inventors: Christian Haag; Ulf Axelsson; Mikael Bjork
Original assignee: GE Wind Energy Norway AS
Current assignee: GE Wind Energy Norway AS
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2012-06-14
Also published as: GB201119671D0; GB2482455B; US8683688B2; GB2482455A; SE0950359A1; CN102459888B; WO2010133512A2; CN102459888A; WO2010133512A3; SE534957C2; US20120180314A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auswuchten einer Windenergieanlage. Das Verfahren enthält die Schritte des a) Messens wenigstens einer Eigenschaft, die von einer Motorbelastung wenigstens eines Giermotors (52) eines Windnachführungssystems (5) während einer Zeitdauer abhängig ist, des b) Berechnens einer Unwucht in Abhängigkeit von dem Messergebnis aus dem Schritt a), des c) Bestimmens eines Ausgleichsanstellwinkels für wenigstens ein Rotorblatt (41) in Abhängigkeit von der Berechnung aus dem Schritt b) und d) des Veränderns des Anstellwinkels des wenigstens einen Rotorblattes gemäß dem Ausgleichsanstellwinkel aus dem Schritt c) zum Verringern der Unwucht. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein System zum Auswuchten einer Windenergieanlage.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Auswuchten einer Windenergieanlage, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Messen wenigstens einer Eigenschaft, die von einer Motorbelastung wenigstens eines Giermotors eines Windnachführungssystems mit dämpfender Kupplung oder Softyaw-Systems während einer Zeitdauer abhängig ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein System zum Auswuchten einer Turbine.
Wenn eine Windenergieanlage mit mehr als einem Rotorblatt zum Erzeugen elektrischer Energie verwendet wird, ist es von großer Bedeutung, dass die Blätter in Form, Gewicht und Anstellwinkel ähnlich sind, weil ein Unterschied während des Betriebs in Abhängigkeit von der gegenwärtigen Winkelstellung des Rotors zu Spannungen und Belastungen führt.
Die Herstellung und die Montage von Turbinen- bzw. Rotorblättern sind demnach heikle Vorgänge. Es ist jedoch wichtig, die Auswuchtung eines Rotors korrigieren zu können, nachdem die Blätter angebracht worden sind, um einen guten Betrieb der Windenergieanlage zu erreichen, ohne unnötige Spannungen oder Belastungen der Struktur zu bewirken.
Ein Versuch, dieses Problem zu lösen, wird von der US 2009/0035136 (Pierce und andere) geliefert, wobei eine Last, eine Beschleunigung oder eine Auslenkung erfasst wird und einem oder mehreren der Rotorblätter ein Ausgleichsanstellwinkel hinzugefügt wird, um zu versuchen, eine Unwucht zu verringern. Um das beschriebene Verfahren anzuwenden, werden jedoch mehrere Sensoren benötigt, und eine hohe Genauigkeit bei der Steuerung der Unwuchten ist schwierig zu erreichen. Die Komponenten erfordern auch ein hohes Maß an Wartung, und ihr Leistungsniveau nimmt häufig mit der Zeit ab, was zunehmende Schwierigkeiten während der späteren Phasen der Lebensdauer der Windenergieanlage bewirkt.
Daher besteht klar ein Bedarf an einem effizienteren Verfahren zur Beseitigung von Unwuchten in einer Windenergieanlage.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Beseitigung oder wenigstens Minimierung der oben beschriebenen Probleme. Dies wird durch ein Verfahren zum Auswuchten einer Turbine bzw. eines Rotors einer Windenergieanlage erreicht, wobei das Verfahren den Schritt enthält, wenigstens eine Eigenschaft zu messen, die von einer Motorbelastung wenigstens eines Giermotors eines Windnachführungs- bzw. Giersystems mit einer dämpfenden Kupplung während einer Zeitdauer abhängig ist, und wobei das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist, in Abhängigkeit von dem Messergebnis aus dem Schritt a) eine Unwucht zu berechnen, für wenigstens ein Rotorblatt in Abhängigkeit von der Berechnung in dem Schritt b) einen Ausgleichsanstellwinkel zu bestimmen und den Anstellwinkel des wenigstens einen Rotorblattes gemäß dem Ausgleichsanstellwinkel aus dem Schritt c) zu verändern, um die Unwucht zu verringern.
Dadurch kann eine Unwucht erkannt, analysiert und minimiert werden, um einen effizienteren und zuverlässigen Betrieb der Windenergieanlage zu erreichen, während gleichzeitig die Gefahr von Schäden an der Struktur der Windenergieanlage infolge von Unwuchten verringert wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Eigenschaft ein Giermotormoment. Demnach kann das Moment, das benötigt wird, um Kräften auf die Windenergieanlage infolge der Unwucht des Rotors entgegenzuwirken, erkannt und analysiert werden, wodurch eine detaillierte Analyse der Unwucht selbst ermöglicht wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung enthält das Verfahren auch die Schritte des Messens einer Winkelposition der Turbine während der Zeitdauer und des Verwendens der Messung aus dem Schritt e) zusammen mit der Messung aus dem Schritt a) für die Berechnungen des Schrittes b).
Demnach kann die Winkelposition z. B. in der Form eines Azimut- bzw. Drehwinkels verwendet werden, um eine Phase der Unwucht zu erkennen, um festzustellen, welcher Rotorblatt-Ausgleichsanstellwinkel verändert werden kann, um die Unwucht zu verringern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der Schritt b) das Berechnen 1) eines Betrags und/oder 2) einer Phase der Unwucht. Dadurch kann der Betrag und demnach die Schwere der Unwucht oder alternativ der Bereich des Rotors festgestellt werden, der die Ursache für die Unwucht sein kann. Indem einer oder mehrere dieser Faktoren bestimmt werden, kann die Unwucht vollständiger analysiert und auf eine wirksamere Art minimiert werden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Schritte a) bis d) wiederholt werden, bis der Betrag der berechneten Unwucht weniger als 10%, vorzugsweise weniger als 5%, besonders bevorzugt weniger als 2% des maximalen Giermomentes des wenigstens einen Giermotors beträgt. Dadurch können die Unwuchten verringert werden, bis sie klein genug sind, um den normalen Betrieb der Windenergieanlage nicht zu stören, damit der Giermotor in der Lage bleibt, äußeren Kräften auf eine wirksame Weise entgegenzuwirken.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein Warnvorgang eingeleitet werden, falls der Betrag der berechneten Unwucht höher ist als ein vorbestimmter Wert, wobei der Wert 20%, vorzugsweise 15% und besonders bevorzugt 10% des maximalen Giermomentes beträgt. Dadurch kann eine Unwucht, die groß genug ist, um für den normalen Betrieb des Giermotors ein Hindernis zu sein, zu einem Warnvorgang führen, der den Betrieb der Windenergieanlage ändern oder Wartungspersonal alarmieren wird oder beides. Dadurch kann die Gefahr von Schäden an der Windenergieanlage wesentlich verringert werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann ein ausgewuchteter Zustand des Rotors für wenigstens einen gemeinsamen Anstellwinkelwert der Rotorblätter bestimmt werden. Dadurch kann der optimale Ausgleichsanstellwinkel für einen oder eine Anzahl von unterschiedlichen gemeinsamen Anstellwinkelwerten bestimmt werden, um den Auswuchtvorgang nach einer Änderung des gemeinsamen Anstellwinkelwertes zu ermöglichen. Für gemeinsame Anstellwinkelwerte, die zwischen solchen Stellungen liegen, wo eine Auswuchtung vorbestimmt worden ist, kann eine vorläufige Auswuchtung unter Verwendung von Auswuchtungsdaten für solche benachbarten Positionen berechnet werden, z. B. durch eine Interpolation, und durch Verwendung einer optimalen oder vorläufigen Auswuchtung als Startpunkt nach dem Ändern des gemeinsamen Anstellwinkelwertes, wodurch der Auswuchtvorgang, der zum Erreichen einer geeigneten Auswuchtung zu einer gegebenen Zeit erforderlich ist, wesentlich vereinfacht werden kann.
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Windenergieanlage mit einem Auswuchtsystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2a zeigt ein Beispiel für ein Giermotormoment über einer Zeitperiode,
2b zeigt eine Rotorwinkelstellung während derselben Zeitperiode wie in 2a,
3 zeigt ein Diagramm mit Bündeln von Auswuchtpunkten bei drei verschiedenen Kombinationen von Ausgleichsanstellwinkeln, und
4 zeigt ein Diagramm mit dem Einfluss eines Blattanstellwinkelausgleichs auf den Auswuchtpunkt einer Turbine.
1 zeigt eine Windenergieanlage 1 mit einem Auswuchtsystem 9 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei ein Turm 2 mit einer Gondel 3 verbunden ist, die einen elektrischen Leistungsgenerator 7 aufnimmt. Der Leistungsgenerator 7 enthält einen Generator mit einer Welle 71, die zum Rotieren um eine Achse A entlang der Länge der Gondel 3 gebracht werden kann, und an dieser Welle 71 ist eine Turbine bzw. ein Rotor 4 mit einer Nabe 42 angebracht, an der ihrerseits wenigstens ein, vorzugsweise zwei oder drei Rotorblätter 41 angebracht sind. Wenn die Gondel 3 so ausgerichtet ist, dass der Rotor 4 ungefähr in die Richtung eines auftreffenden Windes weist, kann der Wind, der mit den Rotorblättern 41 in Wechselwirkung tritt, eine Drehung des Rotors 4 bewirken, die zur Erzeugung elektrischer Energie durch den Generator 7 führt, die in ein Energieversorgungsnetz übertragen oder in einem (nicht gezeigten) geeigneten Speichermittel gespeichert wird. Das Auswuchtsystem 9 enthält eine Steuereinheit 92 und eine Anstellwinkelsteuereinrichtung 91 zum Verändern des Anstellwinkels wenigstens eines der Rotorblätter 41. Vorzugsweise ist die Anstellwinkelsteuereinrichtung 91 dazu eingerichtet, den Anstellwinkel jedes der Blätter 41 einzeln zu verändern. Die Steuereinheit 92 enthält Mittel zum Berechnen einer Unwucht sowie Mittel zum Bestimmen eines Ausgleichsanstellwinkels für wenigstens eines der Rotorblätter 41, um die Unwucht zu verringern, indem dieser Ausgleichsanstellwinkel wenigstens einem der Rotorblätter 41 hinzuaddiert wird.
Der hierin verwendete Ausdruck Rotor ist als eine Nabe 42 zu verstehen, die wenigstens ein Blatt 41 aufweist und dazu vorgesehen ist, sich um eine Achse zu drehen, um an einem Leistungsgenerator 7 oder einer anderen geeigneten Einrichtung zur Verwendung der hier erzeugten Rotationsenergie elektrische Energie zu erzeugen. Die Drehbewegung selbst wird hauptsächlich durch den Einfluss eines Windes bewirkt.
Um die Richtung des Rotors 4 einzustellen, kann die Gondel 3 sich um eine Achse B drehen, die sich entlang der Länge des Turmes 2, d. h. von dem Boden aus im Wesentlichen vertikal nach oben erstreckt, wie es in 1 eingezeichnet ist. Die Drehung wird durch ein Giersystem 5 bewirkt, das an der Verbindung zwischen dem Turm 2 und der Gondel 3 angeordnet ist und ein Gierlager 51 aufweist, das eine gleitende Drehbewegung der Gondel um die Achse B ermöglicht.
Die gleitende Bewegung wird wenigstens teilweise durch wenigstens einen, aber vorzugsweise zwei bis sechs Giermotoren 52 bewirkt, die an der Gondel 3 angebracht und zur Wechselwirkung mit dem Gierlager 51 des Turms 2 in einer solchen Weise angeordnet sind, dass die gleitende Bewegung gesteuert werden kann. Der wenigstens eine Giermotor 52 kann im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn mit einem Moment M wirken, das kleiner oder gleich einem Maximalmoment M_max ist. Das Auswuchtsystem 9 enthält weiterhin Mittel zum Messen wenigstens einer Eigenschaft bzw. eines Zustandes des Giermotors 52 in Form einer Giermomentsensoreinrichtung 53, die dem Giersystem benachbart angebracht ist und zum Erfassen wenigstens einer Eigenschaft des Giermotors 52, wie z. B. des Momentes M eingerichtet ist.
Dem Rotor 4 benachbart ist eine Winkelstellungseinrichtung 6 zum Messen einer Winkelstellung des Rotors 4 z. B. in Form eines Azimut- bzw. Drehwinkels des Rotors 4 zu einer gegebenen Zeit eingerichtet. In dieser Ausführungsform wird der Azimutwinkel mit 0° angesetzt, wenn ein erstes der Blätter gerade nach unten weist, aber dieser Wert könnte auch für irgendeine Stellung der Rotorblätter 41 gewählt werden. Durch Verfolgen des Azimutwinkels und Erfassen des Motormomentes M, das von dem Giersystem 5 zum Positionieren der Gondel 3 in einer Weise, die für den Betrieb der Windenergieanlage 1 geeignet ist, aufgebracht wird, können irgendwelche Störungen infolge einer Unwucht des Rotors 4 erkannt werden, wie es unten im Einzelnen unter Bezug auf die 2 bis 4 beschrieben wird. Die Winkelposition kann auch auf irgendeine andere Art gemessen werden.
Der Betrieb des Auswuchtsystems wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen genauer beschrieben.
Wenn der Betrieb der Windenergieanlage 1 begonnen oder nach einem Stillstand wieder aufgenommen wird, oder manchmal auch während des Betriebes ist es vorteilhaft, die Auswuchtung des Rotors 4 zu untersuchen und Korrekturen vorzunehmen, um ein besser ausgewuchtetes System zu erhalten, wenn dies möglich ist. Diese Analyse kann online oder offline vorgenommen werden. Beide Verfahren werden unten als Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, aber es wären auch andere Verfahren der Analyse möglich, um innerhalb des Bereiches der Ansprüche angewandt zu werden.
Zur Offlineanalyse wird der Azimutwinkel φ des Rotors 4 während einer Zeitdauer von z. B. 30 bis 60 s aufgezeichnet. während desselben Intervalls wird das durch das Giersystem 5 zum Halten der Turbine 4 in der gewünschten Stellung aufgebrachte Motormoment M ebenfalls aufgezeichnet. Der Betrag dieses Motormomentes M wird von Änderungen der Stärke und Richtung des Windes, aber auch von einer Unwucht des Rotors 4 abhängig sein, die bewirkt, dass eine rotierende Kraft in Gierrichtung auf den Rotor 4 selbst einwirkt. Wenn irgendeine Eigenschaft eines oder mehrerer der Rotorblätter 41, wie z. B. der Anstellwinkel, das Gewicht oder die Elastizität von den Eigenschaften der anderen Blätter 41 abweicht, wird dies eine Kraft hervorrufen und auch bewirken, dass der Rotor in Abhängigkeit davon, wo jedes einzelne Blatt 41 zu einem gegebenen Zeitpunkt angeordnet ist, Geschwindigkeit aufnimmt oder abgibt. Daher kann durch Aufzeichnung des Azimutwinkels φ und des einwirkenden Motormomentes M gleichzeitig eine Analyse einer solchen Unwucht vorgenommen werden.
Die Eigenschaften bzw. Zustände eines Giermotors, wie z. B. das Motormoment können auf eine Anzahl von verschiedenen Arten gemessen werden. Z. B. kann der Strom, der an den Giermotor angelegt wird, gemessen werden, und in Kenntnis weiterer Eigenschaften des Giermotors kann man zuverlässige Daten im Hinblick auf das ausgeübte Giermotormoment M zu irgendeiner gegebenen Zeit erhalten. Die Leistung des Giermotors 52 oder irgendeine andere Eigenschaft, die von einer Belastung der Giermotoren 52 abhängig ist, könnte für diese Messung ebenfalls verwendet werden.
2a zeigt einen Graphen des angelegten Giermotormomentes M als eine Funktion der Zeit, und 2b zeigt den Azimutwinkel φ ebenfalls als eine Funktion der Zeit. Durch das Kombinieren dieser Graphen und das Analysieren des Ergebnisses, um irgendwelche Störungen zu entfernen, die nicht periodisch sind, d. h. die nicht jedes Mal auftreten, wenn der Rotor 4 unter dem gleichen Azimutwinkel angeordnet sind, kann eine nichtlineare Kurvenanpassung eine Wiedergabe des periodischen Giermomentes M in der Form M = A cos(ωt + θ) liefern, wobei A eine Amplitude des Giermomentes M und θ eine Phase liefert. In dieser Gleichung bezeichnet ω die Winkelgeschwindigkeit des Rotors und t die Zeit.
Die resultierende Amplitude und Phase kann als ein Auswuchtpunkt in einem Diagramm dargestellt werden, wie z. B. dem in 3 gezeigten, wobei ein Betrag einer Unwucht in Prozent des maximalen Giermotormomentes M_max als Abstand von dem Zentrum des Diagramms gezeigt ist und die Phase in der Umfangsrichtung gezeigt ist. In dem Diagramm ist ein Bündel 71 gezeigt, das eine Anzahl von derartigen Auswuchtpunkten zeigt. Jeder Punkt 71' gibt eine derartige nichtlineare Kurvenanpassung in Abhängigkeit von der Aufzeichnung des Motormoments M und des Azimutwinkels φ für eine Zeitdauer wieder. Demnach kann nach einer Anzahl von Aufzeichnungen und Analysen das Bündel 71 erzeugt werden.
Um die erfasste Unwucht zu minimieren, kann z. B. einem oder mehreren der Rotorblätter 41 ein Ausgleichsanstellwinkel hinzuaddiert werden. In 4 ist das Diagramm aus 3 mit Pfeilen 81, 82, 83 gezeigt, die die Richtung der Änderung der Lage eines berechneten Auswuchtpunktes anzeigen, wie sie auftreten würde, wenn einem ersten, zweiten bzw. dritten Rotorblatt 41 ein Ausgleichsanstellwinkel hinaddiert würde. wenn wiederum das Bündel 71 aus 3 betrachtet und mit den durch die Pfeile 81, 82, 83 gezeigten Richtungen verglichen werden, ist zu erkennen, dass ein dem ersten der Rotorblätter 41 hinzuaddierter Ausgleichsanstellwinkel, der zu einer Bewegung in der Richtung des Pfeiles 81 führen würde, zum Verringern der in dem Bündel 71 erfassten Unwucht nützlich wäre.
Nachdem ein solcher Ausgleichsanstellwinkel dem als das erste Rotorblatt bezeichneten Rotorblatt 41 hinzuaddiert worden ist, kann eine neue Auswuchtanalyse vorgenommen werden, die zu einem neuen Bündel 72 von Auswuchtpunkten 72' führt, die in der dem Pfeil 81 aus 4 entsprechenden Richtung angeordnet und durch einen Pfeil 81' in 3 eingezeichnet sind. Das neue Bündel 72 ist näher bei dem Zentrum des Diagramms angeordnet, wodurch es einer kleineren Amplitude A und dadurch einer verringerten Unwucht entspricht.
Es können weitere Korrekturen vorgenommen werden, um die durch das Bündel 72 gezeigte Unwucht weiter zu minimieren, wie z. B. ein dem als das zweite Blatt bezeichneten Blatt 41 hinzuaddierter Ausgleichsanstellwinkel, der zu einem neuen Bündel 73 führt, das sich in der Richtung des Pfeils 82 aus 4 oder 82' aus 3 bildet. Dieses Bündel ist in der Nähe des Zentrums des Diagramms angeordnet, wodurch es eine sehr kleine Unwucht anzeigt, falls eine vorhanden ist. Ein ideales Ergebnis wäre es, wenn eine Amplitude nahe bei Null liegt, was anzeigt, dass die Rotorblätter identisch wirken und keine Unwucht vorhanden ist. Die Phase θ wird daher im Wesentlichen nur verwendet, um zu erkennen, an welchem Blatt der Ausgleich vorzunehmen ist, um die Amplitude A zu minimieren.
Manchmal kann mehr als einem Blatt 41 zur gleichen Zeit ein Ausgleichsanstellwinkel hinzugefügt werden. In dem in 3 gezeigten Beispiel würde es mit einem Ausgleichsanstellwinkel, der dem ersten und dem zweiten Blatt 41 hinzuaddiert wird, demnach möglich sein, das Bündel der Position 71 in der Position des Bündels 73 anzuordnen, ohne die Position des Bündels 72 zu erreichen. Diese Art, eine erkannte Unwucht zu minimieren, kann in einer zeiteffizienten und praktischen Weise durchgeführt werden.
Es sollte erkannt werden, dass die Bezeichnung der Rotorblätter als erstes, zweites und drittes Blatt eine willkürliche Auswahl ist und die zu dem Rotor gehörenden und entlang des Randes des Diagramms 4 gezeigten Winkelwerte verändert werden könnten, indem die Position gewechselt wird, die als Azimutwinkel φ = 0° ausgewählt worden ist. Für einen Rotor 4 mit einer anderen Anzahl von Rotorblättern 41 wären die durch die Pfeile 81, 82, 83 gezeigten Richtungen sowie die Anzahl der Pfeile anders, aber das Grundprinzip zum Verringern einer Unwucht in einem Rotor 4 wäre im Wesentlichen das gleiche.
Die Unwucht kann auch durch ein Onlineverfahren erfasst und korrigiert werden, wobei eine vollständig automatisierte Auswuchtung des Rotors ohne die Notwendigkeit einer manuellen Überwachung durchgeführt werden kann.
Gemäß einem Verfahren zur Onlineanalyse der Auswuchtung wird die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 4 aufgezeichnet, um die Frequenz zu bestimmen, und ein geeignetes Filter kann zum Aufzeichnen des Giermotormomentes M angewandt werden, um die Mehrzahl der Störungen zu beseitigen, die nicht von einer Unwucht des Rotors abhängig sind. Durch Anwendung dieser Technik kann der Betrag (d. h. die Amplitude) der Unwucht relativ einfach bestimmt werden.
Ein anderes Onlineverfahren umfasst eine Kreuzkorrelation des Giermotormomentes M mit der Kosinusfunktion des Azimutwinkels φ, cosφ, und vergleicht das Ergebnis mit einer Anzahl von vorbestimmten Phasen, z. B. zwölf verschiedenen Phasen, um festzustellen, welche Phase der aktuellen Funktion cosφ am besten entspricht. Durch dieses Verfahren kann der Betrag der Unwucht sowie die zugehörige Phase bestimmt werden und eine schnelle und einfache Korrektur der erfassten Unwucht ermöglicht werden.
Ein Auswuchtvorgang kann automatisch in regelmäßigen Intervallen oder manuell zu Zeiten durchgeführt werden, wenn vermutet werden kann, dass sich die Auswuchtung des Rotors 4 sich geändert hat, kann oder beides. Z. B. kann bei der Inbetriebnahme oder nach einem Schadensereignis, wie z. B. einem Blitzschlag oder einem anderen Vorfall, ein Auswuchtvorgang notwendig sein, um einen gewünschten Betrieb der Windenergieanlage 1 zu erreichen. Es wäre auch möglich, die Auswuchtung des Rotors 4 kontinuierlich zu überwachen und automatische Auswuchtvorgänge einzuleiten, wenn die festgestellte Unwucht einen vorbestimmten Wert überschreitet. Es könnte auch ein automatischer Alarm vorgesehen werden, der ausgelöst wird, wenn eine übermäßig große Unwucht festgestellt wird, und den Betrieb der Windenergieanlage 1 zu einem solchen Zeitpunkt unterbricht. Eine solche Unterbrechung kann auch in dem Fall vorgenommen werden, dass der Auswuchtvorgang fehlschlägt, d. h. wenn die festgestellte Unwucht durch Anwendung der Verfahren nicht verringert werden kann oder die einzelne Anstellwinkeländerung, die als erforderlich errechnet worden ist, einen vorbestimmten Maximalwert überschreitet.
Es ist wichtig anzumerken, dass sich die Auswuchtung der Rotorblätter 41 bei unterschiedlichen Anstellwinkeln unterscheiden kann und sich die Auswuchtung daher verschieben wird, wenn den Blättern 41 ein gemeinsamer Anstellwinkel hinzuaddiert wird, wie z. B. wenn die Windenergieanlage 1 so eingestellt wird, dass sich die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 4 erhöht oder verringert. Auswuchtvorgänge können daher zu jedem Zeitpunkt durchgeführt werden, wenn eine kollektive Anstellwinkeländerung eingetreten ist, aber um die Notwendigkeit dafür zu verringern, kann ein Auswuchtprogramm an einem bestimmten Punkt, z. B. während der Inbetriebnahme der Windenergieanlage 1, durchgeführt werden, um die gewünschte Auswuchtung bei einer Anzahl von vorbestimmten gemeinsamen Anstellwinkeln zu finden. Z. B. kann die Analyse bei einem gemeinsamen Anstellwinkel von 0°, 5°, 10° etc. durchgeführt werden, und an irgendeinem Punkt zwischen diesen Winkeln kann die Auswuchtung z. B. durch Interpolation bestimmt werden, wobei ein bekannter Auswuchtpunkt als Startpunkt für die Berechnungen verwendet wird.
Das Giersystem 5 der Windenergieanlage 1 ist so eingerichtet, dass es kontinuierlich das notwendige Giermotormoment M aufbringt, das für die Gondel 3 mit dem Rotor 4 erforderlich ist, um sich zu einer Position zu bewegen, wo der Betrieb der Windenergieanlage 1 am besten ist. Das Giermotormoment M kann seinen Maximalwert M_max erreichen und im Uhrzeigersinn sowie entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet sein, um die Gondel 3 in Abhängigkeit von den Erfordernissen zu diesem Zeitpunkt in einer dieser Richtungen nachzuführen. Wenn das Motormoment M_max nicht ausreicht, um die Gondel 3 in der gewünschten Position zu halten, wird sich die Gondel weich mit dem Wind bewegen, bis es für die Giermotoren 52 möglich wird, die Gondel 3 wieder in die gewünschte Position zu drehen.
Um die Werte der Unwucht zu bestimmen, für die eine Korrektur notwendig ist, kann der Betrag der Unwucht mit dem Maximalmoment M_max verglichen werden, das von dem Giersystem 5 aufgebracht werden kann. Eine Unwucht von weniger als 5% von M_max könnte z. B. als ein geeigneter Wert zum Einleiten eines Auswuchtvorgangs angesehen werden, wenn die Unwucht kontinuierlich überwacht wird. In ähnlicher Weise könnten eine Unwucht von 10% oder mehr als ein geeigneter Wert für ein Alarmsignal angesehen werden, um anzuzeigen, dass die Unwucht zu groß ist, weil der Betrieb der Windenergieanlage 1 ernsthaft gestört wird, wenn das Giersystem 5 einen großen Anteil des verfügbaren Motormomentes M zum Korrigieren periodischer Störungen in Form eines Momentes in Gierrichtung aufwenden muss, das infolge von Unwuchten des Rotors 4 auftritt.
Wenn eine kontinuierliche Überwachung der Auswuchtung des Rotors 4 vorgenommen wird, kann eine automatische Steuerung verwendet werden, um kontinuierlich iterative Korrekturen hin zu einer gewünschten Auswuchtung vorzunehmen. Irgendwelche Änderungen des gemeinsamen Anstellwinkelwertes oder anderer Bedingungen um die Windenergieanlage herum könnten bewirken, dass eine Verbesserung der Auswuchtung erforderlich wird.
Die Steuereinheit 92 des Auswuchtsystems 9 kann auch eine Warneinrichtung zum Einleiten einer Warnsequenz oder eines Warnprozesses enthalten, wenn die Unwucht größer als ein vorbestimmter Wert, z. B. 20%, bevorzugter 15% oder noch bevorzugter 10% des maximalen Giermomentes M_max ist. Der Betrieb der Windenergieanlage kann z. B. als Reaktion auf eine derartige erkannte große Unwucht oder, wenn die erkannte Unwucht durch das Auswuchtsystem nicht verringert werden kann, unterbrochen oder verändert werden. Es kann auch ein Warnsignal erzeugt werden, um Wartungspersonal wegen eines möglichen Problems an der Windenergieanlage zu alarmieren.
Die Erfindung darf nicht als durch die oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt angesehen werden, sondern kann innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche variiert werden, wie es für Fachleute leicht ersichtlich ist. Z. B. können die oben beschriebenen Berechnungen und Kurvenanpassungen auf eine Anzahl von unterschiedlichen Arten durchgeführt werden, und die Komponenten der Windenergieanlage und des Auswuchtsystems können auf unterschiedliche Arten integriert oder gestaltet und an der Windenergieanlage angebracht sein.
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind durch die folgenden nummerierten Abschnitte definiert:

1. Ein Verfahren zum Auswuchten einer Windenergieanlage, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
a) Messen wenigstens einer Eigenschaft, die von einer Motorbelastung wenigstens eines Giermotors (52) eines Giersystems (5) während einer Zeitperiode abhängig ist,
b) Berechnen einer Unwucht in Abhängigkeit von dem Messergebnis aus dem Schritt a),
c) Bestimmen eines Ausgleichsanstellwinkels für wenigstens ein Rotorblatt (41) in Abhängigkeit von der Berechnung aus dem Schritt b), und
d) Ändern des Anstellwinkels des wenigstens einen Rotorblattes gemäß dem Ausgleichsanstellwinkel aus dem Schritt c), um die Unwucht zu verringern,
gekennzeichnet durch die Anwendung des Verfahrens zum Bestimmen eines ausgewuchteten Zustandes des Rotors der Windenergieanlage für wenigstens einen gemeinsamen Anstellwinkelwert der Rotorblätter.
2. Verfahren nach Abschnitt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft ein Giermotormoment ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch den Schritt enthält:
e) Messen einer Winkelposition der Windenergieanlage während der Zeitperiode.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch den Schritt enthält:
f) Verwenden des Messergebnisses aus dem Schritt e) zusammen mit dem Messergebnis aus dem Schritt a) für die Berechnungen des Schrittes b).
5. Verfahren nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) das Berechnen 1) eines Betrages und/oder 2) einer Phase der Unwucht umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis d) wiederholt werden, bis ein Betrag der errechneten Unwucht kleiner als 10%, vorzugsweise kleiner als 5%, noch bevorzugter kleiner als 2% eines maximalen Giermomentes des wenigstens einen Giermotors ist.
7. Verfahren nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warnvorgang eingeleitet wird, wenn der Betrag der berechneten Unwucht größer als ein vorbestimmter Wert ist.
8. Verfahren nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert 20%, vorzugsweise 15% und noch bevorzugter 10% des maximalen Giermomentes beträgt.
9. Verfahren nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgewuchteter Zustand für einen gemeinsamen Anstellwinkelwert unter Verwendung von Daten, die einen anderen ausgewuchteten Zustand betreffen, als einen Startpunkt für Berechnungen bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Abschnitte, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgewuchtete Zustand als ein Startpunkt verwendet wird, bevor das Verfahren zum Auswuchten der Windenergieanlage angewandt wird.
11. System zum Auswuchten einer Windenergieanlage, wobei das System aufweist: einen Rotor mit wenigstens zwei Rotorblättern, eine Anstellwinkelsteuereinrichtung zum Verändern des Anstellwinkels der Rotorblätter, wenigstens einen Giermotor zum Nachführen des Rotors gegen den Wind und Mittel zum Bestimmen eines Ausgleichsanstellwinkels für wenigstens eines der Rotorblätter zum Verringern der Unwucht unter Verwendung der Anstellwinkelsteuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin aufweist: Mittel zum Messen wenigstens einer Eigenschaft, die von einer Motorbelastung des wenigstens einen Giermotors abhängig ist, Mittel zum Berechnen einer Unwucht in Abhängigkeit von dem Messergebnis für die wenigstens eine Eigenschaft, eine Auswuchteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen ausgewuchteten Zustand der des Rotors für wenigstens einen gemeinsamen Anstellwinkel der Rotorblätter zu bestimmen.
12. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft ein Giermotormoment ist.
13. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass das System ebenfalls Mittel zum Messen einer Winkelposition des Rotors während der Zeitperiode aufweist.
14. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Berechnen einer Unwucht dazu eingerichtet ist, zum Berechnen der Unwucht auch Messergebnisse von der Einrichtung zum Messen einer Winkelposition zu verwenden.
15. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Berechnen einer Unwucht dazu eingerichtet ist, 1) einen Betrag und/oder 2) eine Phase der Unwucht zu berechnen.
16. Ein System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Berechnen einer Unwucht dazu eingerichtet ist, zu verhindern, dass ein Ausgleichsanstellwinkel an das wenigstens eine Rotorblatt angelegt wird, wenn der Betrag der Unwucht kleiner als 10%, vorzugsweise kleiner als 5%, noch bevorzugter kleiner als 2% eines maximalen Giermomentes des wenigstens einen Giermotors ist.
17. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiterhin eine Warneinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen Warnvorgang einzuleiten, wenn der Betrag der berechneten Unwucht größer als ein vorbestimmter Wert ist.
18. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert 20%, vorzugsweise 15%, noch bevorzugter 10% des maximalen Giermomentes beträgt.
19. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswuchteinrichtung dazu eingerichtet ist, einen ausgewuchteten Zustand für wenigstens einen gemeinsamen Anstellwinkelwert unter Verwendung von Daten, die einen anderen ausgewuchteten Zustand betreffen, als einen Startpunkt für Berechnungen zu bestimmen.
20. System nach einem vorhergehenden Abschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgewuchtete Zustand dazu eingerichtet ist, als ein Startpunkt für einen gemeinsamen Anstellwinkelwert von wenigstens zwei Rotorblättern verwendet zu werden, bevor das System zum Auswuchten der Windenergieanlage verwendet wird.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0035136 [0004]

Claims

Verfahren zum Auswuchten einer Windenergieanlage, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Messen wenigstens einer Eigenschaft, die von einer Motorbelastung wenigstens eines Giermotors (52) eines Windnachführungssystems (5) während einer Zeitperiode abhängig ist, b) Berechnen einer Unwucht in Abhängigkeit von dem Messergebnis aus dem Schritt a), c) Bestimmen eines Ausgleichsanstellwinkels für wenigstens ein Rotorblatt (41) in Abhängigkeit von der Berechnung aus dem Schritt b), und d) Ändern des Anstellwinkels des wenigstens einen Rotorblattes gemäß dem Ausgleichsanstellwinkel aus dem Schritt c), um die Unwucht zu verringern, und e) Verwenden des Verfahrens zum Bestimmen eines ausgewuchteten Zustandes des Rotors für wenigstens einen gemeinsamen Anstellwinkelwert der Rotorblätter.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft ein Giermotormoment ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch den Schritt enthält: f) Messen einer Winkelposition des Rotors während der Zeitperiode.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch den Schritt enthält: g) Verwenden des Messergebnisses aus dem Schritt f) zusammen mit dem Messergebnis aus dem Schritt a) für die Berechnungen des Schrittes b).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) das Berechnen 1) eines Betrages und/oder 2) einer Phase der Unwucht enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis d) wiederholt werden, bis ein Betrag der berechneten Unwucht kleiner als 10%, vorzugsweise kleiner als 5%, noch bevorzugter kleiner als 2% eines maximalen Giermomentes des wenigstens einen Giermotors ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Warnvorgang eingeleitet wird, wenn der Betrag der berechneten Unwucht größer als ein vorbestimmter Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert 20%, vorzugsweise 15% und noch bevorzugter 10% des maximalen Giermomentes beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ausgewuchteter Zustand für einen gemeinsamen Anstellwinkelwert unter Verwendung von Daten, die einen anderen ausgewuchteten Zustand betreffen, als einem Startpunkt für Berechnungen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgewuchtete Zustand als ein Startpunkt verwendet wird, bevor das Verfahren zum Auswuchten der Windenergieanlage angewandt wird.
System (9) zum Auswuchten einer Windenergieanlage (1), wobei das System aufweist: einen Rotor (4) mit wenigstens zwei Rotorblättern (41), eine Anstellwinkelsteuereinrichtung (91) zum Verändern des Anstellwinkels der Rotorblätter, wenigstens einen Giermotor (52) zum Nachführen des Windrades gegen den Wind und Mittel zum Bestimmen eines Ausgleichsanstellwinkels (6) für wenigstens eines der Rotorblätter zum Verringern der Unwucht unter Verwendung der Anstellwinkelsteuereinrichtung, wobei das System weiterhin aufweist: Mittel (92) zum Messen wenigstens einer Eigenschaft, die von einer Motorbelastung des wenigstens einen Giermotors abhängig ist, Mittel zum Berechnen einer Unwucht in Abhängigkeit von dem Messergebnis für die wenigstens einen Eigenschaft, und eine Auswuchteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, einen ausgewuchteten Zustand des Rotors für wenigstens einen gemeinsamen Anstellwinkel der Rotorblätter zu bestimmen.
System (9) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft ein Giermotormoment ist.
System (9) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System ebenfalls Mittel (6) zum Messen einer Winkelposition des Rotors während der Zeitperiode aufweist.
System (9) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Berechnen einer Unwucht dazu eingerichtet ist, zum Berechnen der Unwucht auch Messergebnisse von der Einrichtung zum Messen einer Winkelposition zu verwenden.
System (9) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Berechnen einer Unwucht dazu eingerichtet ist, 1) einen Betrag und/oder 2) eine Phase der Unwucht zu berechnen.