DE19739164A1 - Windenergieanlage - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Gattung.
Bekannte Windenergieanlagen dieser Art sind mit Regelvorrichtungen zur Nachführung
der Gondelposition entsprechend der jeweiligen Windrichtung versehen, wobei die
Gondelverstellung mit Hilfe wenigstens eines in der Gondel montierten Stellglieds
erreicht wird, das z. B. aus einem elektrischen Getriebemotor besteht, auf dessen
Antriebswelle ein Ritzel befestigt ist, das sich mit einem mit dem Turm fest verbundenen
und zur Turmachse koaxialen Zahnrad im Eingriff befindet (US-PS 4 966 525). Zur
Stabilisierung dieser Einrichtung in der Sollposition sind in der Regel zusätzlich mechani
sche Bremsen (sogenannte Azimutbremsen) vorgesehen, die bei konstanter Windrichtung
eine Abschaltung der Motoren ermöglichen bzw. ein selbsttätiges Herausdrehen der
Gondel aus dem Wind auch bei abgeschalteten Motoren verhindern. Alternativ sind
außerdem Stellglieder in Form von hydraulischen Antrieben bekannt (z. B. Georg Böhmeke
in "Hydraulic Yaw System for a Megawatt-Scale Wind Turbine", 1996 European Union
Wind Energy Conference). Beide Systeme erfordern einen großen konstruktiven Aufwand,
da die beteiligten Komponenten (Zahnkränze, Bremsen, Getriebe usw.) beim Betrieb
starken Belastungen ausgesetzt sind und daher sehr widerstandsfähig ausgelegt werden
müssen. Außerdem hat die durch die Azimutbremsen bewirkte mechanische Kopplung
zwischen dem Rotor und der ihn tragenden Unterkonstruktion (Gondel, Turm) zur Folge,
daß z. B. durch einseitige Windstöße auf die Gondel ausgeübte Drehschwingungen auch
auf den Turm übertragen werden und durch das erzeugte Giermoment bezüglich der
Turmachse zu einer verstärkten Beanspruchung im oberen Bereich der Unterkonstruktion
führen.
Daneben ist bekannt, daß der Anstieg oder Abfall der Windgeschwindigkeit mit der Höhe
dazu führt, daß die Schubkraft, die von einem in der oberen Hälfte des Rotorkreises
befindlichen Rotorblatt erzeugt wird, in der Regel größer als diejenige Schubkraft ist, die
von einem in der unteren Hälfte des Rotorkreises befindlichen Rotorblatts entwickelt wird.
Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn der Rotor nicht exakt zum Wind ausgerichtet ist. In
beiden Fällen wird auf die den Rotor tragende Unterkonstruktion ein Nickmoment
bezüglich der Rotorquerachse ausgeübt, das während des Umlaufs des Rotors ebenfalls zu
zyklischen Schwankungen der Belastung und damit zu einer erhöhten Materialermüdung
und zu einer Verringerung der Lebensdauer im oberen Bereich der Unterkonstruktion
führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Windenergieanlage der eingangs
bezeichneten Gattung so auszubilden, daß Belastungen der oben beschriebenen Art, denen
die Unterkonstruktion normalerweise betriebsbedingt ausgesetzt ist, mit vergleichsweise
geringem konstruktivem Aufwand zumindest reduziert werden.
Zur Lesung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird eine Reduzierung von durch Gier- oder Nickmomenten auf die
Unterkonstruktion ausgeübten Belastungen durch bloße Rotorblattverstellungen vor
geschlagen. Dabei wird der konstruktive Aufwand dadurch klein gehalten, daß hierfür die
zur Begrenzung der elektrischen Leistung ohnehin häufig vorhandenen und konstruktiv
einfachen Rotorblatt-Verstelleinrichtungen verwendet werden können, zu deren Betätigung
wegen der großen Rotorumlaufzeiten von z. B. 3 s bei modernen Großanlagen nur
vergleichsweise kleine Drehmomente und Verstellgeschwindigkeiten benötigt werden. Die
Erfindung bringt weiterhin den Vorteil mit sich, daß die Wechselbeanspruchung der
Rotorblätter deutlich reduziert wird mit der Folge, daß die Lebensdauer der Rotorblätter
verlängert wird.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 in je einer schematischen Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht eine
herkömmliche Windenergieanlage und ihre verschiedenen Drehachsen;
Fig. 4 eine Darstellung des Schlagbiegemoments und dessen Zerlegung in Nick- und
Gierkomponenten;
Fig. 5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für die Wind
energieanlage nach Fig. 1 bis 3;
Fig. 6 eine Ausführungsform einer Blattverstelleinrichtung mit hydraulischem Antrieb;
Fig. 7 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Reglerteils zur
Kompensation von Nickinomenten des Rotors; und
Fig. 8 bis 10 anhand von Schaubildern den Verlauf verschiedener, im Rahmen der
Erfindung bedeutsamer Größen.
Nach Fig. 1 bis 3 enthält eine übliche Windenergieanlage einen Turm 1, an dessen
oberem Ende eine Gondel 2 um eine im wesentlichen vertikale Achse z drehbar gelagert
ist, die der Turmachse entspricht. Die Gondel 2 kann mit üblichen Mitteln um die Achse z
gedreht und mit ebenfalls üblichen Mitteln gebremst werden. Da derartige Mittel dem
Fachmann allgemein bekannt sind (z. B. US-PS 4 966 525), brauchen sie hier nicht näher
erläutert zu werden. Am Vorderende der Gondel 2 ist ein Rotor 3 um eine im wesentli
chen horizontale, zur z-Achse senkrechte Rotorachse x drehbar gelagert. Der Rotor 3 trägt
drei Rotorblätter 4, 5 und 6 mit bei Windenergieanlagen allgemein üblichen Querschnitts
formen und mit Längsachsen a, b und c die hier im wesentlichen senkrecht zur Achse x
angeordnet und um diese Achse x herum in im wesentlichen gleichmäßigen Winkel
abständen von je 120° angeordnet sind. Jedes Rotorblatt 4, 5 und 6 ist einzeln und
unabhängig von den anderen um seine Längsachse a, b bzw. c drehbar am Rotor 3
gelagert. Die Blatteinstellwinkel sind, bezogen auf eine von der Bauart des Rotors 3
abhängige Nullposition, nachfolgend mit β1, β2 und β3 und allgemein mit βi bezeichnet.
Außerdem ist der Rotor 3 in Windrichtung vor dem Turm 1, d. h. luvseitig angeordnet,
was sich bei großen Windenergieanlagen im Leistungsbereich von 100 kW und mehr
allgemein durchgesetzt hat.
Infolge des Winddrucks kommt es zur Ausbildung von parallel zur x-Achse auf die
Rotorblätter 4, 5, 6 wirkenden Schubkäften, die in Fig. 1 bis 3 durch die Einzelkräfte F1,
F2 und F3 dargestellt sind.
Insgesamt ergeben sich am Rotor 3 der Windenergieanlage folgende Drehmomente. Zu
nächst wird das übliche, um die Rotationsachse x als Drehachse wirksame Antriebs
moment MRot (Fig. 2) des Rotors 3 erzeugt, das über die Rotorwelle den mit dieser
verbundenen Generator antreibt, elektrische Leistung erzeugt und von den eingestellten
Blatteinstellwinkeln βi abhängt. Dies gilt insbesondere auch, wenn alle Rotorblätter 4, 5
und 6 auf konstante und identische Blatteinstellwinkel βi um die Achsen a, b und c
eingestellt werden.
Weiterhin werden die Rotorblätter 4, 5 und 6 durch den Wind bzw. durch die Schubkräfte
F1, F2 und F3 um parallele, nahe ihrer Lagerpunkte am Rotor 3 angeordnete und im
wesentlichen senkrecht zu den Achsen a, b und c verlaufende Achsen, deren Lagen von
der Drehstellung des Rotors 3 abhängig sind, auf Biegung beansprucht. Dadurch entstehen
einzelne Biegemomente MB1, MB2 und MB3, die sog. Schlagbiegemomente, die z. B. mit
Hilfe von nahe den Wurzeln der Rotorblätter 4, 5 und 6 angeordneten Sensoren bzw.
Meßaufnehmern 7 (Fig. 7), z. B. Dehnungsmeßstreifen, ermittelt werden können. Auf
grund eines Anstiegs der Windgeschwindigkeit mit der Höhe ist die aerodynamische
Schubkraft eines in der oberen Hälfte des Rotorkreises befindlichen Rotorblatts 4 (z. B. F1)
in der Regel höher als die Schubkraft eines in der unteren Hälfte befindlichen Rotorblatts
5 (z. B. F2). Daher kommt es während eines Rotorumlaufs zu zyklischen Schwankungen
der Belastung, die zu einer erhöhten Materialermüdung und einer Verringerung der
Lebensdauer der Anlage führen können. Als Maß für diese wechselnde Belastung kann ein
resultierendes, durch unterschiedlich große Kräfte F1, F2 und F3 erzeugtes, auf den Rotor
3 wirkendes Nickmoment MNick (Fig. 1) um eine im wesentlichen senkrecht zu den Achsen
x und z stehende Achse y dienen. Das Nickmoment bewirkt keinen Antrieb des Rotors 3,
sondern belastet die Konstruktion der Windenergieanlage, da die Gondel 2 um die y-Achse
nicht ausweichen kann.
Ist die Gondel 2 durch die Bremsen relativ zum Turm 1 festgelegt, bildet sie zusammen
mit diesem eine starre Unterkonstruktion, an der der Rotor 3 drehbar befestigt ist.
Entwickeln daher die Rotorblätter 4, 5 und 6 z. B. in der linken Hälfte des Rotorkreises
andere Schubkräfte als in der rechten Hälfte, dann ergeben sich analoge Belastungen
relativ zur z-Achse. Als Maß für diese Belastungen dient ein auf dem Rotor bzw. die
Unterkonstruktion wirkendes Giermoment MGier (Fig. 3). Solange die Gondel 2 um die
z-Achse nicht ausweichen kann, bewirkt das Giermoment keine Drehung der Gondel 2 um
die z-Achse, sondern belastet die Unterkonstruktion der Windenergieanlage. Zur Ermitt
lung des Giermoments dienen ebenfalls die Sensoren 7.
Fig. 4 zeigt schematisch ein in der yz-Ebene nach Fig. 1 bis 3 erzeugtes Schlagbiegemo
ment MB1 für das Rotorblatt 4. Durch rechnerische Projektion auf die vertikale z-Achse
kann die z- bzw. Gier-Komponente des Biegemoments MB1 nach folgender Berechnungs
vorschrift bestimmt werden:
MB1,z = MB1.sin ϕ. (1)
Das Gesamtgiermoment ergibt sich aus der Summe der Einzelgiermomente MB1,z, MB2,z
und MB3,z für die drei Rotorblätter 4, 5 und 6 nach der folgenden Berechnungsvorschrift:
MGier = MB1 sin ϕ + MB2 sin (ϕ + 120°) + MB3 sin ( ϕ + 240°) (2).
Durch Projektion auf die horizontale y-Achse läßt sich in entsprechender Weise die y-
bzw. Nick-Komponente der Einzelbiegemomente bzw. des Gesamtnickmoments errechnen,
wobei für z. B. das Rotorblatt 4 (Fig. 4)
MB1,y = MB1.cos ϕ (3)
und für das resultierende Gesamtnickmoment aller Rotorblätter
MNick = MB1 cos ϕ + MB2 cos (ϕ + 120°) + MB3 cos (ϕ + 240°) (4)
gilt.
Die zum Verständnis erforderlichen Teile einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind
in Fig. 5 dargestellt. Darin ist zunächst der Rotor 3 durch einen entsprechenden Block
repräsentiert. Ein Ausgang des Blocks 3 ist mit einem Block 8 verbunden, der alle
zwischen dem Rotor 3 und einem von diesem angetriebenen Generator 9 befindlichen
Getriebe, Wellen, Kupplungen usw. repräsentiert, und deutet an, daß das von den
Rotorblättern 4, 5 und 6 erzeugte Drehmoment MRot über den Block 8 den Generator 9
antreibt. An einem zweiten Ausgang des Blocks 3 kann der mittels eines üblichen Sensors
ermittelte Drehwinkel ϕ (vgl. auch Fig. 2) abgenommen werden, während schließlich an
weiteren Ausgängen des Blocks 3 die für die Ermittlung des Nickmoments MNick und des
Giermoments MGier geeigneten, von den Sensoren 7 (Fig. 7) erzeugten Ausgangssignale
abgenommen werden können.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Versteilbarkeit der Rotorblätter 4, 5 und 6
zur Reduzierung der beschriebenen Belastungen auszunutzen. Die senkrecht zur Rotor
ebene (yz-Ebene in Fig. 2) sowohl um die z-Achse als auch um die y-Achse erzeugten
Schubkräfte hängen vom Einstellwinkel βi der Rotorblätter ab. Durch getrennte, zyklische
Verstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 während jedes Rotorumlaufs wird erfindungs
gemäß erreicht, daß konstruktionsbedingte sowie im Betrieb der Windenergieanlage
auftretende Drehmomente MGier bzw. MNick kleiner ausfallen, als dies bei konstanter
Rotorblatteinstellung der Fall wäre, oder vollständig kompensiert werden.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist zu diesem Zweck allgemein wie folgt
aufgebaut:
Die von den Sensoren 7 (Fig. 7) erhaltenen Signale werden an den entsprechenden Ausgängen des Rotors 3 abgenommen und einem Block 10 zugeführt. In diesem werden aus den Biegemomenten MB1, MB2 und MB3 für die Rotorblätter 4, 5 und 6 mittels der Gleichungen (1) die einzelnen Gier-Komponenten und daraus mittels der Gleichung (2) ein dem momentanen Istwert des Giermoments entsprechendes Signal MGier gebildet. Es wäre zwar möglich, das Biegemoment nur an einem einzigen Rotorblatt zu messen, doch wäre die Meßgenauigkeit, bezogen auf das Giermoment, dann geringer. Außerdem ist es nicht notwendig, die Biegemomente in zwei Achsen zu messen. Es genügt vielmehr, eine Bezugsachse zu wählen, die bei einem Blatteinstellwinkel von z. B. ca. 5° senkrecht auf der Rotorebene steht. In diesem Fall muß bei Abweichung des Blatteinstellwinkels von diesem Bezugswert der Meßwert um den anteiligen Einfluß des Blatteigengewichts korrigiert werden. Die Kalibrierung der Meßaufnehmer 7 kann vorteilhaft im Leerlaufbe trieb (dem sog. Trudeln) durchgeführt werden, da in diesem Betriebszustand die betreffen den Biegemomente im wesentlichen von dem bekannten Eigengewicht der Rotorblätter abhängen.
Die von den Sensoren 7 (Fig. 7) erhaltenen Signale werden an den entsprechenden Ausgängen des Rotors 3 abgenommen und einem Block 10 zugeführt. In diesem werden aus den Biegemomenten MB1, MB2 und MB3 für die Rotorblätter 4, 5 und 6 mittels der Gleichungen (1) die einzelnen Gier-Komponenten und daraus mittels der Gleichung (2) ein dem momentanen Istwert des Giermoments entsprechendes Signal MGier gebildet. Es wäre zwar möglich, das Biegemoment nur an einem einzigen Rotorblatt zu messen, doch wäre die Meßgenauigkeit, bezogen auf das Giermoment, dann geringer. Außerdem ist es nicht notwendig, die Biegemomente in zwei Achsen zu messen. Es genügt vielmehr, eine Bezugsachse zu wählen, die bei einem Blatteinstellwinkel von z. B. ca. 5° senkrecht auf der Rotorebene steht. In diesem Fall muß bei Abweichung des Blatteinstellwinkels von diesem Bezugswert der Meßwert um den anteiligen Einfluß des Blatteigengewichts korrigiert werden. Die Kalibrierung der Meßaufnehmer 7 kann vorteilhaft im Leerlaufbe trieb (dem sog. Trudeln) durchgeführt werden, da in diesem Betriebszustand die betreffen den Biegemomente im wesentlichen von dem bekannten Eigengewicht der Rotorblätter abhängen.
Das Signal MGier wird in einem Vergleicher 11 mit einem vorgegebenen Sollwert MGier,ref
verglichen, der vorzugsweise auch dem Wert Null entsprechen kann. Die resultierende
Regelabweichung ΔMGier, wird einem Regler zugeführt. Zur Diskretisierung der Regeldif
ferentialgleichungen beim Einsatz digitaler Regelgeräte können Standardverfahren benutzt
werden (z. B. Rolf Isermann in "Digitale Regelsysteme", Band 1, Springer-Verlag 1988).
Der in Fig. 5 durch Blöcke 12 und 13 dargestellte Regler liefert in noch zu beschreibender
Weise Stellsignale für Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16, die auf je ein zugeordnetes
Rotorblatt 4, 5 bzw. 6 einwirken. Dadurch werden die Rotorblätter 4, 5 und 6 auf solche
unterschiedlichen Blatteinstellwinkel βi (β1 für Rotorblatt 4, β2 für Rotorblatt 5 bzw. β3 für
Rotorblatt 6) eingestellt, daß sich insgesamt eine Blatteinstellwinkelverstellung ergibt, die
geeignet ist, das momentane Giermoment MGier zu reduzieren bzw. weitgebend zu
kompensieren.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Reduzierung des Giermo
ments durch eine einzeln und unabhängig voneinander bewirkte Verstellung der Rotor
blätter 4, 5 und 6 erfolgt. Dieses wird nach einer besonders bevorzugten, in Fig. 5
dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Rotorblätter 4, 5 und 6 in
Abhängigkeit von der Regelabweichung ΔMGier zyklisch verstellt werden. Das bedeutet,
daß sich die Verstellung auch in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Rotors 3,
d. h. in Abhängigkeit vom Winkel ϕ (Fig. 2) ändert. Mit besonderem Vorteil haben dazu
die die Blatteinstellwinkelverstellung bewirkenden Stellsignale einen harmonischen, durch
Sinus- bzw. Cosinusfunktionen ausdrückbaren Verlauf, wobei die Periodendauer der
Stellsignale mit der Umlaufbewegung des Rotors 3 übereinstimmt. Dies dient, wie weiter
unten erläutert ist, vor allem dem Zweck, die Blattverstellung so zu gestalten, daß dadurch
keine zusätzlichen Nickmomente auf den Rotor 3 ausgeübt bzw. auch konstruktions
bedingte, unvermeidbare Nickmomente beseitigt oder zumindest reduziert werden können.
Unter "zyklischer" Ansteuerung der Rotorblatt-Verstelleinrichtungen ist daher im Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verstehen, daß die Stellsignale auch vom Drehwinkel ϕ des
Rotors 3 abhängen.
Zur Vereinfachung der Regelvorrichtung ist es besonders zweckmäßig, den Block 12 des
Reglers so auszubilden, daß er in Abhängigkeit vom Eingangssignal, der Regelabweichung
ΔMGier, als Ausgangsgröße ein Signal βH erzeugt, das lediglich die Anforderung eines
bestimmten, von allen drei Rotorblättern 4, 5 und 6 zu erzeugenden Giermoments
beinhaltet. Dem Block 12 braucht daher weder die jeweilige Rotorstellung mitgeteilt zu
werden, noch braucht er ein oder mehrere Ausgangssignale abzugeben, die sich zyklisch
ändern. Das Signal βH entspricht z. B. der maximalen Amplitude, mit welcher die
Rotorblätter 4, 5 und 6 um einen voreingestellten Blatteinstellwinkel zyklisch schwanken
sollen, der benötigt wird, um die Regelabweichung auf Null zurückzuführen. Dabei ist der
Einfachheit halber angenommen, daß diese Amplitude für alle vorhandenen Rotorblätter 4,
5 und 6 identisch ist, was im allgemeinen besonders vorteilhaft ist.
Das Ausgangssignal βH des Blocks 12 wird einem ersten Eingang des Blocks 13 zugeführt,
der zur Berechnung der verschiedenen Blatteinstellwinkel βi anhand des Wertes βH und des
über einen weiteren Eingang zugeführten Rotorwinkeis ϕ dient. Im Ausführungsbeispiel
gibt der Block 13 an drei Ausgängen je ein Stellsignal in Form eines Sollwerts βi,ref bzw.
β1,ref, β2,ref und β3,ref, ab, der dem Eingang je einer zugeordneten der Verstelleinrichtungen
14, 15 bzw. 16 zugeführt wird. Die Aufspaltung der Größe βH in einzelne Blatteinstell
winkel βi erfolgt daher erst im Block 13.
Im beschriebenen Beispiel sind die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 zweckmäßig
ihrerseits als Regeleinrichtungen ausgebildet, die die zugeführten Stellsignale βi,ref als
Sollsignale erhalten, diese mit entsprechenden Istsignalen der Blatteinstellwinkel βi
vergleichen und aus der ermittelten Regelabweichung die Blatteinstellung vornehmen. Zu
diesem Zweck sind die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 z. B. mit je einem elek
trischen oder hydraulischen Antrieb versehen. Die für die Regelung der Verstelleinrich
tung benötigten Komponenten bilden daher zusätzlich zu den Blöcken 12 und 13 Bestand
teile des eigentlichen Reglers.
Eine Ausführungsform einer hydraulischen Blattversteileinrichtung ist in Fig. 6 dargestellt.
Als Verstellantrieb dient dabei ein hydraulischer Stellzylinder 42, wobei die längs
bewegungen des Kolbens auf einen mit dem Rotorblatt 6 (in Fig. 6 ausgespart) starr
verbundenen Verstellung 43 übertragen werden. Für jedes Rotorblatt ist eine separate
Verstelleinrichtung vorhanden, so daß die Blatteinstellwinkel der einzelnen Rotorblätter 4,
5 und 6 getrennt und unabhängig voneinander verstellt werden können.
Die Erzeugung der Stellsignale βi,ref erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise nach einer
Steuerfunktion, deren Amplitude βH in der oben erläuterten Weise vom Block 12 geliefert
wird und hier durch die Formel
gegeben ist, worin i die laufende Nummer der vorhandenen Rotorblätter 4, 5 bzw. 6
angibt, während m die Zahl der vorhandenen Rotorblätter bedeutet. Bei drei Rotorblättern
mit Winkelabständen von je 120° ist daher
βi,ref = βH.sin ϕ, (6)
β2,ref = βH.sin (ϕ + 120°), (7)
β3,ref = βH.sin (ϕ + 240°), (8)
woraus der sinusförmige Verlauf der Blattverstellungen bzw. der Blatteinstellwinkel βi im
Zuge einer Umdrehung des Rotors 3 berechnet werden kann. Als Ergebnis werden um
einen Mittelwert (hier z. B. 0) schwankende Blatteinstellwinkel βi erhalten. Maximale bzw.
minimale Blatteinstellwinkelausschläge ±βH ergeben sich, wenn das entsprechende
Rotorblatt (z. B. Rotorblatt 4 in Fig. 2) parallel zur positiven bzw. negativen y-Achse, d. h.
horizontal, steht. In vertikaler Stellung des entsprechenden Rotorblatts nimmt der
Blatteinstellwinkel den Wert des mittleren Blatteinstellwinkels an (hier Null).
Da die an den Rotorblättern 4, 5 und 6 angreifenden Schubkräfte mit zunehmendem
Blatteinstellwinkel abnehmen, bedeutet das in Fig. 2, daß die Schubkraftwirkung auf der
rechten Seite (negative y-Achse) verringert und auf der linken Seite (positive y-Achse)
vergrößert wird. Dadurch könnte z. B. ein vorhandenes Drehmoment MGier, das die Gondel
2 in Fig. 3 im Gegenuhrzeigersinn um die z-Achse zu drehen versucht, reduziert werden.
Ein Ausgleich eines von oben betrachtet im Uhrzeigersinn wirksamen Drehmoments kann
durch einen negativen Wert von βH bewirkt werden.
Die Vorgabe eines von βH unabhängigen Blatteinstellwinkels erfolgt gemäß Fig. 5 mit
Hilfe einer weiteren Regelvorrichtung, die als Stellglieder ebenfalls die Verstelleinrichtun
gen 14, 15 und 16, jedoch als Regler außer dem Block 13 im wesentlichen einen Block 17
enthält, dessen Ausgang über einen Übertrager 18 mit einem weiteren Eingang des Blocks
13 verbunden ist und ein Signal β0 liefert. Das Signal β0 dient zur Begrenzung der elek
trischen Leistung und dem Schutz der Windenergieanlage vor Überlastung und hat eine
Verstellung der drei Rotorblätter 4, 5 und 6, ausgehend von ihrer Nullposition, um gleiche
Winkel und in demselben Drehsinn zur Folge. Für den Fall, daß βH = 0 gilt, nehmen
somit alle drei Stell- bzw. Sollwerte βi,ref den Wert β0 an. Bei βH ≠ 0 werden die von βH
abhängigen Sollwerte βi,ref dagegen um den Wert β0 modifiziert, d. h. die durch βH zyklisch
veränderten Blatteinstellwinkel βi schwanken jetzt nicht um β0 = 0, sondern um einen
durch β0 ≠ 0 vorgegebenen mittleren Blatteinstellwinkel. Rechnerisch kann dies dadurch
dargestellt werden, daß β0 als Summand in der oben angegebenen Gleichung (5) erscheint:
mit der Folge, daß für βH = 0 für alle Rotorblätter βi = β0 gilt.
Im Hinblick auf β0 kann, abhängig vom jeweiligen Anlagentyp, auf bekannte Regelungs
konzepte zurückgegriffen werden (S. Heier: "Windkraftanlagen im Netzbetrieb", B.G.
Teubner, Stuttgart, 2. Auflage 1996, S. 313 ff). Dies ist in Fig. 5 für Anlagen mit starrer
Drehzahl dadurch angedeutet, daß mittels eines geeigneten Meßaufnehmers, z. B. eines
Leistungsmeßwandlers, ein den Istwert der erzeugten Leistung P angebendes Signal
erzeugt wird. Dieses Istsignal wird in einem Vergleicher 19 mit einem vorgegebenen
Sollwert Pref verglichen. Die ermittelte Regelabweichung ΔP wird dem Block 17 zu
geführt, der analog zum Block 12 als Regler wirkt, der lediglich einen Mittelwert β0
vorgibt, der im Block 13 in Sollsignale für die einzelnen Verstelleinrichtungen 14, 15 und
16 umgewandelt wird. Bei Anlagen mit variabler Drehzahl ist ein weiterer Sensor
vorhanden, der ein der momentanen Drehzahl n entsprechendes Signal liefert, das in
einem Vergleicher 20 mit einem entsprechenden Sollwert nref verglichen wird. Die
Regelabweichung Δn wird ebenfalls dem Block 17 zugeführt, der daher insgesamt als
Leistungs- und Drehzahlregler bezeichnet werden könnte und an einem weiteren Ausgang
ein Signal Mref liefert, das einem weiteren Stellglied in Form eines Frequenzumrichters 21
zugeführt wird, der die vom Generator 9 erzeugte elektrische Energie frequenzvariabel
aufnimmt und mit einer anderen Frequenz, z. B. 50 Hz, in das elektrische Netz einspeist.
In Abhängigkeit von Mref werden in an sich bekannter Weise im Frequenzumrichter 21
enthaltene Leistungsschalter so angesteuert, daß das Drehmoment oder die elektrische
Leistungsabgabe des Generators geregelt bzw. beeinflußt wird. Insgesamt erfolgt in
diesem Fall die Regelung auf Nennleistung unter Berücksichtigung der variablen Drehzahl
n. Zur Realisierung des Blocks 17 kann auf bekannte Regelkonzepte zurückgegriffen
werden.
Die hier angegebene Struktur der Leistungs- und Drehzahlregelung stellt nur eine von
vielen möglichen Ausführungsformen dar. So kann z. B. anstelle der elektrischen Leistung
auch das Drehmoment des Generators geregelt werden.
Nach einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die
Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 schließlich auch als Stellglieder einer dritten Regel
vorrichtung verwendet, die dem Zweck dient, schädliche, vom Wind auf die Rotorblätter
4, 5 und 6 bzw. auf den Rotor 3 ausgeübte Nickmomente durch Änderungen der Blatt
einstellwinkel βi zu reduzieren. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Blatteinstell
winkel βi so zu regeln, daß sie das von allen Rotorblättern 4, 5 und 6 erzeugte Nickmo
ment reduzieren, ohne dadurch die oben beschriebene Reduzierung des Giermoments
wesentlich zu beeinträchtigen. Erreicht wird dies z. B. dadurch, daß die vom Block 13
abgegebenen Stellsignale βi,ref entsprechend modifiziert werden. Nach einer besonders
bevorzugten Ausführungsform erfolgt auch diese Modifizierung zyklisch und insbesondere
mit Hilfe einer harmonischen Steuerfunktion, die eine Amplitude βv vorgibt, die in
Abhängigkeit vom Umlaufwinkel ϕ des Rotors 3 schwankt.
Bevorzugt wird hierzu die aus Fig. 5 ersichtliche Ausführungsform vorgesehen. Dabei
kann auf genau dieselbe Weise vorgegangen werden, wie oben bereits für die Ermittlung
des momentanen Giermoments erläutert wurde. Demgemäß werden zur Reduzierung oder
Beseitigung eines vorhandenen Nickmoments die am Ausgang des Rotors 3 von den
Sensoren 7 (Fig. 7) gelieferten, durch Messung der oben erläuterten Biegemomente MB1,
MB2 und MB3 der Rotorblätter 4, 5 und 6 erhaltenen Signale einem Block 22 zugeführt, in
dem aus ihnen ein dem momentanen Istwert des Nickmoments entsprechendes Istsignal
MNick gebildet wird. Dieses wird in einem Vergleicher 23 mit einem vorgegebenen
Sollwert MNick,ref verglichen, der vorzugsweise auch dem Wert Null entsprechen kann. Die
Regelabweichung ΔMNick wird einem Block 24 zugeführt, der an seinem Ausgang analog
zum Block 12 ein Signal βv abgibt, das lediglich die Anforderung einer bestimmten, von
allen drei Rotorblättern 4, 5 und 6 zu erzeugenden Blatteinstellwinkelverstellung beinhal
tet, die geeignet ist, das momentane Nickmoment MNick zu reduzieren bzw. weitgehend zu
kompensieren.
Eine geeignete Ausführungsform für die von den Blöcken 12 und/oder 24 durchzuführende
Regelfunktion ist in Fig. 7 am Beispiel des Blocks 24 dargestellt, wonach der Block 24 ein
einfacher Integrairegler mit einer Verstärkung KI,2 sein kann, der aus der Regelabwei
chung ΔMNick den Wert βv bildet. Unabhängig von der Verstärkung ist dieser Regler in
der Lage, ein konstantes Nickmoment zu kompensieren. Je größer die Verstärkung
gewählt ist, desto empfindlicher reagiert der Regler auf Änderungen des Nickmoments.
Der Block 12 kann entsprechend ausgebildet sein.
Die Amplitude βv könnte alternativ auch anhand von geschätzten, z. B. aus dem aktuellen
Windverhalten abgeleiteten Informationen über das Nickmoment des Rotors 3 ermittelt
bzw. festgelegt werden. Der Anstieg oder Abfall der Windgeschwindigkeit mit der Höhe
läßt sich z. B. je nach Geländeform durch einen Höhenwindgradienten beziffern (Comis
sion of the European Communities: "European Wind Atlas", Risø National Laboratory,
ISBN 87-550-1482-8, Rosklide). Damit ist es möglich, den veritkalen Verlauf der
Windgeschwindigkeit abzuschätzen und das Nickmoment mit Hilfe eines aerodynamischen
Rotormodells zu bestimmen. Entsprechende oder andere Schätzungen oder dgl. könnten zu
einer Festlegung der Amplitude βH verwendet werden.
Das Signal βv entspricht wie das Signal βH einer Amplitude, mit welcher die Rotorblätter
4, 5 und 6 um einen voreingestellten, z. B. durch β0 gegebenen Blatteinstellwinkel βi
zyklisch schwanken sollen. Dabei ist der Einfachheit halber angenommen, daß diese
Amplitude für alle vorhandenen Rotorblätter 4, 5 und 6 identisch ist, was i. A. besonders
vorteilhaft ist. Das Signal βv wird wie das Signal βH direkt einem weiteren Eingang des
Blocks 13 zugeführt, der es in Werte umwandelt, mit denen die oben beschriebenen
Signale βi,ref modifiziert werden. Dabei erfolgt diese Modifizierung vorzugsweise nach
einer Steuerfunktion, deren Amplitude von der Größe des zu reduzierenden Nickmoments
und dem zeitlichen Verlauf der Umlaufbewegung des Rotors 3 abhängt. Die Steuerfunk
tion ist wie die für das Giermoment vorzugsweise harmonisch, im Gegensatz zur Formel
(5) jedoch durch folgende Cosinusfunktion gebildet:
wenn zusätzlich die Größe β0 verwendet wird.
Daraus folgt, daß sich für die Reduzierung des Nickmoments MNick ein cosinusförmiger
Verlauf der Blattverstellungen ergibt, d. h. die durch das Signal βv verursachte Änderung
der Blatteinstellwinkelstellungen ist für cos [ϕ + (i-1) 360° / m] = ±1 jeweils maximal
in dem einen bzw. entgegengesetzten Drehsinn und jeweils 0 für cos [ϕ + (i-1) 360° / m]
= 0, was z. B. der Fall ist, wenn das Rotorblatt 4 in Fig. 2 die Stellungen ϕ = 0°, 180°
bzw. 90°, 270° einnimmt. Eine Reduzierung eines positiven Nickmoments kann daher
z. B. durch Vergrößerung des Blatteinstellwinkels in der oberen Hälfte des Rotorkreises
nach Fig. 2 erreicht werden, da in diesem Fall die Schubkräfte kleiner werden. Umge
kehrt hat eine Reduzierung der Blatteinstellwinkel in der unteren Hälfte des Rotorkreises
dort eine Vergrößerung der Schubkräfte zur Folge.
Werden alle drei Signale βH, β0 und βv gleichzeitig benutzt, wird zweckmäßig die
folgende Steuerfunktion vorgegeben:
wobei i, m, β0, βH und βv dieselbe Bedeutung wie in Gleichungen (1), (5) und (7) haben.
Zur Erreichung einer optimalen Flexibilität ist es vorteilhaft, die Regelung mit Hilfe von
Microcomputern zu realisieren. Dabei ist es zweckmäßig, die Funktion des Blocks 17 des
Reglers in einem im Turm 1 (Fig. 1) oder in der Gondel 2 untergebrachten Rechner zu
implementieren, während die übrigen Reglerfunktionen durch einen im Rotor 3 oder
dessen Nabe untergebrachten und damit rotierenden Controller od. dgl. realisiert werden.
Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß nur das Signal β0 von der Gondel 2 in den an ihr
drehbar gelagerten Rotor 3 übertragen werden muß, was z. B. mit Hilfe von Schleif
ringanordnungen, Funkstrecken od. dgl. erfolgen kann. Dies ist in Fig. 5 durch den
Übertrager 18 dargestellt, der in einer strichpunktiert angedeuteten Trennebene 25
zwischen der Gondel 2 und dem Rotor 3 angeordnet ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, daß die zur Reduzierung des Nickmoments erforderliche
Einstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 nicht die zur Herstellung des gewünschten
Giermoments benötigte Einstellung derselben Rotorblätter 4, 5 und 6 stört. Aus Gleichung
(12) ist ersichtlich, daß für PH = 0 nur die Gleichung (11) und für βv = 0 nur Gleichung
(9) verbleibt. Insbesondere kann irgendein Rotorblatt 4, 5 bzw. 6, wenn es sich in der
Position ϕ = 0° oder ϕ = 180° nach Fig. 2 befindet, nur zum Nickmoment um die y-
Achse, aber nicht zum Giermoment um die z-Achse beitragen, während umgekehrt ein
Rotorblatt 4, 5 bzw. 6, wenn es sich in der Stellung ϕ = 90° oder ϕ = 270° befindet,
nur zum Giermoment, aber nicht zum Nickmoment beiträgt. Das ist in Gleichung (12)
dadurch berücksichtigt, daß die Terme mit den Ausdrücken sin [ϕ + (i-1) 360° / m] bzw.
cos [ϕ + (i-1) 360° / m] für bestimmte Winkel ϕ jeweils unabhängig davon Null werden,
ob βH, βv selbst Null sind oder nicht.
Darüber hinaus kann gezeigt werden, daß sich bei Anwendung von drei Rotorblättern 4, 5
und 6 oder mehr keine gegenseitige Beeinflussung der durch βH bzw. βv verursachten
Gier- und Nickmomente ergibt. Dies ist in Fig. 8 bis 10 schematisch anhand der mit
Gleichung (12) berechneten Werte für die Blatteinstellwinkel βi dargestellt.
Fig. 8 bis 10 enthalten jeweils vier Schaubilder a, b, c und d mit je drei Kurven. Dabei
sind die mit einer durchgezogenen Linie gezeichneten Kurven den Rotorblättern 4 bzw.
den Blatteinstellwinkeln β1 usw., die mit einer gestrichelten Linie gezeichneten Kurven
dem Rotorblatt 5 bzw. dem Blatteinstellwinkel β2 usw. und die mit einer strichpunktierten
Linie dargestellten Kurven dem Rotorblatt 6 bzw. dem Blatteinstellwinkel β3 usw.
zugeordnet. Die Schaubilder e zeigen jeweils die resultierenden Momente über eine Rotor
umdrehung.
Bild a von Fig. 8 zeigt schematisch für β0 = 4, βv = 1 und βH = 0 (entsprechend einer
Voreinstellung für die Blatteinstellwinkel β0 = 4° bzw. Blatteinstellwinkeiamplituden βv
von jeweils 1°) anhand je einer Kurve den mit Gleichung (12) berechneten Verlauf der
Stellwerte β1,ref, β2,ref und β3,ref bzw. der diesen Werten folgenden Blatteinstellwinkel β1, β2
und β3. Alle Kurven schwanken zyklisch nach einer Cosinusfunktion um den mittleren
Wert β = 4°, wobei die Kurve für β1 in der Position ϕ = 0° beginnt, in der das zu
gehörige Rotorblatt 4 parallel zur z-Achse steht (Fig. 2). Entsprechend befinden sich die
den Kurven β2 und β3 zugeordneten Rotorblätter 5 und 6 gleichzeitig in den Stellungen ϕ
= 120° bzw. ϕ = 240°.
Die Kurven MB1, MB2 und MB3 in Bild b von Fig. 8 zeigen die zu den Blatteinstellwinkeln
nach Bild a gehörigen Schlagbiegemomente. Dabei ist angenommen und vorausgesetzt,
daß ein harmonischer Verlauf der Blatteinstellwinkeleinstellung eine annähernd ebenfalls
harmonische Änderung der Biegemomente MB1, MB2 und MB3 über eine Rotorumdrehung
erzeugt, was mit der Praxis gut übereinstimmt. Das mittlere Biegemoment, resultierend
aus einer gleichförmigen Windbelastung, bleibt natürlich erhalten. Größere Blatteinstell
winkel führen dabei in der Regel zu kleineren Biegemomenten und umgekehrt, da dem
Wind dann weniger bzw. mehr Angriffsfläche geboten wird.
In Bild b von Fig. 8 ist angenommen, daß die Blatteinstellungen nach Bild a zu Biegemo
menten führen, die um einen Mittelwert von 1 schwanken und zu Gesamtmomenten von 1
±0,1 führen können. Die maximalen und minimalen Werte der Biegemomente betragen
daher unter dem Einfluß von βv jeweils 1,1 bzw. 0,9.
Die Vektoren der Biegemomente liegen nach Fig. 4 in der yz-Bbene (Rotorebene), so daß
sie je eine auf die z-Achse und die y-Achse bezogene z- bzw. y-Komponente haben, wobei
die z-Komponente ausschließlich zum Giermoment und die y-Komponente ausschließlich
zum Nickmoment beiträgt. Gemäß Fig. 4 ergibt sich die z-Komponente des Biegemoments
von Rotorblatt 4 durch Multiplikation des Biegemoments MB1 mit sinϕ, die y-Komponente
durch Multiplikation mit cosϕ. Zur Berechnung der entsprechenden Komponenten für die
Biegemomente der Rotorblätter 5 und 6 ist anstelle des Winkels ϕ der Wert ϕ + 120° bzw.
ϕ + 240° einzusetzen.
Da βH = 0 vorausgesetzt ist, haben die von βv = 1 verursachten Änderungen der Biege
momente im Bild c jeweils Verläufe für die für das Giermoment verantwortlichen
z-Komponenten der Biegemomente zur Folge, die z. B. zu einem Wert MB1,z = 0 in der
Stellung ϕ = 0° des Rotorblatts 4 mit sin ϕ = 0 und z. B. zu einem Wert MB1,z = 1,0 in
der Stellung ϕ = 90° des Rotorblatts 4 mit sin ϕ = 1 führen. Umgekehrt zeigt Bild d
daß die für die Nickmomente verantwortlichen y-Komponenten bei in der Stellung ϕ = 0
befindlichem Rotorblatt 4 jetzt MB1,y = 0,9 (cos ϕ = 1) ist, während in der Stellung
desselben Rotorblatts 4 bei ϕ = 90° (cos ϕ = 0) jetzt MB1,y = 0 gilt. Für die beiden
anderen Rotorblätter 5 und 6 lassen sich die charakteristischen Werte aus den ihnen
zugeordneten Kurven entnehmen.
Bild e zeigt schließlich die gemeinsame Wirkung aller drei Rotorblätter 4, 5 und 6
während eines vollen Umlaufs des Rotors 3. Daraus ergibt sich, daß alle drei Rotorblätter
4, 5 und 6 zusammen ein resultierendes Giermoment von 0 (Linie 32) und ein resultieren
des Nickmoment von -0,15 (Linie 33) erzeugen. Unter der Voraussetzung βv = 1 und
βH = 0 wird daher erreicht, daß ohne Einfluß auf das Giermoment eine Reduzierung eines
vorhandenen positiven Nickmoments herbeigeführt wird.
Fig. 9 zeigt analog zu Fig. 8 in Bildern a bis e den Verlauf der entsprechenden Größen,
wenn β0 = 4, βv = 0 und βH = 1 gewählt wird. Ein Unterschied ergibt sich nur inso
weit, als in Bild a eine Sinusfunktion dargestellt ist. Die Kurve β1, für das Rotorblatt 4
beginnt z. B. in dessen Stellung ϕ = 0° mit β1 = 0. Ein weiterer wesentlicher Unterschied
besteht darin, daß in Fig. 9 das resultierende Nickmoment entsprechend einer Linie 34 in
Bild e gleich Null ist, während gleichzeitig ein resultierendes Giermoment (Linie 35) von
-0,15 erhalten wird.
Fig. 10 zeigt schließlich in Bildern a bis e analog den Fall β0 = 4, βv = 1 und βH = 2.
Hier überlagern sich die in Fig. 8 und 9 dargestellten Kurven derart, daß nach Bild e das
resultierende Nickmoment (Linie 36) den Wert -0,15, das resultierende Giermoment (Linie
36a) den Wert von -0,3 annimmt. Daraus ist ersichtlich, daß die zur Reduzierung oder
Beseitigung störender Gier- und/oder Nickmomente beschriebenen Maßnahmen un
abhängig voneinander getroffen werden können. Weiterhin wird durch die beschriebene
zyklische Blattverstellung die vom Block 17 in Fig. 5 durchgeführte Leistungsregelung
nicht beeinträchtigt, da im zeitlichen Mittel stets der vom Block 17 vorgegebene mittlere
Blatteinstellwinkel eingestellt wird.
Für die verschiedene Meßaufnehmer bzw. Sensoren kann weitgehend auf bekannte
Einrichtungen zurückgegriffen werden. Für die Messung der Generatordrehzahl eignen
sich z. B. optische Inkrementalaufnehmer. Für die Messung des Rotorwinkels wird z. B.
eine Zahnscheibe mit einem induktiven Aufnehmer vorgeschlagen. Die Zahnscheibe ist
fest mit der Gondel verbunden und umgibt die Rotorwelle. Der induktive Aufnehmer
rotiert mit der Nabe und tastet die Zahnscheibe ab. Zusätzlich ist eine spezielle Markie
rung, z. B. Zahnlücke, zur Festlegung der Nullposition vorzusehen. Der Gondelwinkel
kann schließlich z. B. mit einem Getriebepotentiometer ermittelt werden, das in der Gondel
befestigt ist und über einen am Turm befestigten Zahnkranz angetrieben wird. Die
Übersetzung muß so gewählt werden, daß 2-3 Gondelumdrehungen je Richtung möglich
sind.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf
vielfache Weise abgewandelt werden kann. Zunächst ist klar, daß die Erfindung wahlweise
sowohl zur Kompensation allein von Nickmomenten als auch zur Kompensation allein von
Giermomenten als auch zur gleichzeitigen Kompensation von Nick- und Giermomenten
benutzt werden kann und daß je nach Fall die in Fig. 5 nicht benötigten Komponenten
auch weggelassen werden können. Weiterhin braucht die Rotorachse x nicht genau
horizontal angeordnet sein. Vielmehr sind auch Anlagen mit schräg zur Horizontalen
stehender Achse bekannt. Entsprechend braucht die Turmachse z nicht ideal vertikal
angeordnet sein. Daher soll die in den Ansprüchen verwendete Wendung "im wesentlichen
horizontal" bzw. "im wesentlichen vertikal" alle diese möglichen Abweichungen ein
schließen. Weiterhin könnte der Rotor anstatt luv- auch leeseitig angeordnet sein. Es ist
ferner möglich und kann in Abhängigkeit vom Einzelfall auch sinnvoll sein, die vom
Block 13 in Fig. 4 erzeugten Sollsignale βi,ref mit Hilfe von modifizierten Gleichungen
(5), (9) oder (12) so zu definieren, daß sie im Vergleich zu den Rotorwinkeln ϕ, bei
denen die durch sie vorgegebenen Blatteinstellwinkel βi tatsächlich erreicht sein müssen,
mit einem gewissen zeitlichen Vorlauf erscheinen. Dies könnte insbesondere dann
zweckmäßig sein, wenn die zur Blattverstellung verwendeten Einrichtungen eine gewisse
Trägheit besitzen und den vorgegebenen Sollwerten nicht beliebig schnell folgen können.
Realisiert werden kann ein derartiger zeitlicher Vorlauf z. B. dadurch, daß in den Glei
chungen (5), (9) bzw. (12) ein Phasenwinkel ϕR eingeführt wird, der zu einer entsprechen
den Phasenverschiebung fährt. Weiterhin gelten die beschriebenen Steuerfunktionen nur
für den Fall, daß die eingesetzten Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 eingebaute
Blatteinstellwinkelregelungen besitzen. Ist dies nicht der Fall, so müssen die Steuerfunktio
nen an das Verhalten der Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 angepaßt werden. Denkbar
ist z. B., daß über die Verstelleinrichtung nicht der Blatteinstellwinkel selbst, sondern die
Verstellgeschwindigkeit eingestellt wird. In diesem Fall müßten die angegebenen Steuer
funktionen zeitlich differenziert werden. Dies kann z. B. in Fällen zweckmäßig sein, in
denen anstelle von Verstelleinrichtungen in Form von Servo- oder Schrittmotoren solche
nach Fig. 6 vorgesehen werden, die hydraulische Antriebe besitzen, wobei die Steuerfunk
tionen auch nicht notwendig harmonisch sein müssen. Wichtig ist in allen Fällen, daß die
gewünschte Blatteinstellwinkeleinstellung erreicht wird und die Stellsignale βi,ref diejenigen
Signale kennzeichnen, mit deren Hilfe dies ermöglicht wird. Anstelle der durch die
Gleichungen (5), (9) und (12) vorgegebenen Steuerfunktionen können z. B. auch dann
andere für geeignet gehaltene Steuerfunktionen verwendet werden, wenn Rotoren mit nur
zwei Rotorblättern oder nur einem einzigen Rotorblatt vorhanden sind, weil in diesen
Fällen bei vertikaler Stellung des Rotors kein Giermoment und bei horizontaler Stellung
des Rotors kein Nickmoment erzeugt werden kann und sich daher stets pulsierende
Momentverläufe ergeben. Insbesondere Steuerfunktionen, die zwar zyklisch, aber nicht
harmonisch verlaufen, können hier zweckmäßig sein, z. B. solche mit dreieckigem oder
trapezförmigem Verlauf, wobei zusätzlich zu den Amplituden βH und ggf. βv noch andere
Parameter vorgegeben werden.
Die mit der Größe β0 realisierte Leistungsbegrenzung kann auch auf andere Weise als
durch eine Blatteinstellwinkeleinstellung vorgenommen werden, in welchem Fall die
Größe β0 in den oben genannten Gleichungen und die zugehörigen Reglerteile in Fig. 5
völlig entfallen könnten. Im Hinblick auf das Nickmoment könnte sich ferner als vor
teilhaft erweisen, den Sollwert MNick,ref in Fig. 5 nicht auf den Wert Null, sondern auf
einen vorgewählten, festen Wert einzustellen. Das dadurch erhaltene Nickmoment könne
bei einem Rotor, der aufgrund seines Gewichts um die y-Achse nach unten drückt, dazu
benutzt werden, einen gewissen Ausgleich durch ein entgegengesetztes Nickmoment zu
erzielen. Schließlich versteht sich, daß die oben erläuterten Merkmale auch in anderen als
den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden können.
Claims (14)
1. Windenergieanlage mit einem Rotor (3), einer Unterkonstruktion (1, 2), an der der
Rotor (3) um eine im wesentlichen horizontale Achse (x) drehbar gelagert ist, wenigstens
einem Rotorblatt (4, 5, 6), das um seine Längsachse (a, b, c) drehbar am Rotor (3) gelagert
ist, und einer zur Einstellung eines Rotorblattwinkels (βi) bestimmten Verstelleinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung zur Reduzierung eines auf den Rotor
(3) bzw. von diesem auf die Unterkonstruktion (1, 2) ausgeübten Gier- und/oder Nickmo
ments eingerichtet ist.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (7) zur
Ermittlung eines momentan wirksamen Gier- und/oder Nickistmoments aufweist und diese
Mittel (7) sowie die Verstelleinrichtung Bestandteile einer zur Regelung des Gier-
und/oder Nickmoments auf einen vorgewählten Sollwert bestimmten Regelvorrichtung
sind.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstell
einrichtung das Stellglied der Regelvorrichtung ist und die Regelvorrichtung Mittel (13)
zur Abgabe von der Steuerung der Verstelleinrichtung dienenden Stellsignalen (βi,ref)
aufweist.
4. Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der
Verstelleinrichtung auch in Abhängigkeit von der momentanen Drehwinkeleinstellung des
Rotors (3) erfolgt.
5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt
(4, 5, 6) durch die Stellsignale (βi,ref) in Abhängigkeit von der Umlaufbewegung des Rotors
(3) zyklisch verstellt werden.
6. Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter
(4, 5, 6) in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel (ϕ) des Rotors (3) harmonisch verstellt
werden.
7. Windenergieanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Stellsignale (βi,ref) eine mit der Periodendauer der Umlaufbewegung des Rotors (3)
übereinstimmende Periodendauer aufweisen.
8. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung der Stellsignale (βi,ref) Steuerfunktionen verwendet werden, deren Am
plituden (βv, βH) aus der Differenz zwischen dem momentanen Gier- und/oder Nickistmo
ment und dem vorgewählten Sollwert erhalten werden.
9. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Erzeugung der Stellsignale (βi,ref) Steuerfunktionen verwendet werden, deren Am
plituden (βH, βv) eine geschätzte Information über das Gier- und/oder Nickistmoment des
Rotors (3) enthalten,
10. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Mittel (7) zur Ermittlung des Gier- und/oder Nickistmoments einen Sensor zur
Ermittlung einer für das Schlagbiegemoment (MB1, MB2, MB3) des Rotorblatts (4, 5, 6)
charakteristischen Größe aufweist und Signale (βi,ref) verwendet werden, deren Amplituden
(βv, βH) von dieser charakteristischen Größe abhängen.
11. Windenergieanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3)
wenigstens zwei Rotorblätter (4, 5, 6) enthält, alle Rotorblätter (4, 5, 6) mit einem derartigen
Sensor (7) versehen sind und Signale (βi,ref) verwendet werden, deren Amplituden (βv, βH)
von den für die Schlagbiegemomente (MB1, MB2, MB3) aller Rotorblätter (4, 5, 6) charak
teristischen Größen abhängen.
12. Windenergieanlage nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensoren (7) Dehnungsmeßstreifen enthalten.
13. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verstelleinrichtungen als Stellglieder einer weiteren Regelvorrichtung ausgebildet sind,
durch die die Stellsignale in Abhängigkeit von der Leistung und/oder Drehzahl des Rotors
(3) oder anderen Betriebsgrößen der Windenergieanlage zum Zwecke der Begrenzung der
elektrischen Leistung oder dem Schutz vor Überlastung der Anlage modifizierbar sind.
14. Windenergieanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale
(βi,ref) für alle vorhandenen Verstelleinrichtungen um denselben Wert (β0) modifizierbar
sind.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANG, DE |
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8331 | Complete revocation |