DE19739164B4

DE19739164B4 - Windenergieanlage

Info

Publication number: DE19739164B4
Application number: DE19739164A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Krüger; Dirk Dipl.-Ing. Morbitzer
Original assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Institut fuer Solare Energieversorgungstechnik ISET
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-09-06
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2017-09-07
Also published as: DE19739164A1; DE29715249U1

Abstract

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 (β_i) bestimmten Verstelleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Ermittlung eines momentan wirksamen, auf den Rotor (3) bzw. von diesem auf die Unterkonstruktion (1,2) ausgeübten Gier- und/oder Nickistmoments aufweist und die Verstelleinrichtung zur Reduzierung dieses Gier- und/oder Nickistmoments eingerichtet ist, indem sie und die Mittel Bestandteile einer zur Regelung des Gier- und/oder Nickmoments auf einen vorgewählten Sollwert bestimmten Regelvorrichtung bilden.

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 4 966 525 A ). Zur Stabilisierung dieser Einrichtung in der Sollposition sind in der Regel zusätzlich mechanische 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.
Bei großen Windenergieanlagen können durch Turbulenz nennenswerte Unterschiede in den lokalen Anströmungsverhältnissen bzw. Windgeschwindigkeiten über die Rotorfläche auftreten. Bei zeitlich konstantem Anstellwinkel erfährt ein einzelnes Rotorblatt dadurch eine veränderliche Schubkraft über den Umlaufwinkel; durch Überlagerung der zyklisch veränderlichen Schubkräfte aller Rotorblätter kommt es zu Momenten um die Gier- und Nickachse des Rotors, die von diesem auf die Nabe ausgeübt werden.
Daneben ist bekannt, daß der oft gegebene Anstieg der Windgeschwindigkeit mit der Höhe dazu führt, daß die Schubkraft, die von einem in der oberen Hälfte des Rotors befindlichen Rotorblatt erzeugt wird, in der Regel größer als diejenige Schubkraft ist, die von einem in der unteren Hälfte des Rotorkreises befindlichen Rotorblatt entwickelt wird. Ein ähnlicher Effekt ergibt sich, wenn der Rotor nicht exakt zum Wind ausgerichtet ist. In beiden Fällen ergibt sich ein Moment um die Nick- bzw. Gierachse des Rotors.
Wegen der durch die Lagerung von Gondel und Rotor sowie durch die Azimutbremsen bewirkten mechanischen Kopplung zwischen dem Rotor und der ihn tragenden Unterkonstruktion (Gondel, Turm) werden die Nick- und Giermomente auf den Turm übertragen und führen zu einer verstärkten Beanspruchung von Nabe, Rotorwelle, Rotor- und Gondellagerung sowie des Turms, wodurch es zu einer erhöhten Materialermüdung und zu einer Verringerung der Lebensdauer der genannten Komponenten kommt.
Zur Vermeidung der beschriebenen und anderer Probleme sind bereits zahlreiche Vorschläge bekannt geworden, die sämtlich von Windenergieanlagen der eingangs bezeichneten Gattung ausgehen und dem Zweck dienen, durch passive oder aktive Verstellung der Rotorblattwinkel eine verbesserte Windnachführung zu erzielen und/oder mechanische Belastungen der beschriebenen Art zu reduzieren. Soweit diese Windkraftanlagen mit Regeleinrichtungen versehen sind, fehlen allerdings Angaben dazu, welche Größen konkret als Regelgrößen verwendet werden sollen.
Bei bekannten Windenergieanlage dieser Art werden die Rotorblätter an ihren Wurzeln mit Hilfe von Gelenken so gelagert, daß sie Schlagbewegungen durchführen und dadurch zyklische Änderungen der Blattanstellwinkel herbeiführen können ( DE 31 19 738 A1 ). Dadurch soll auf passivem Wege eine verbesserte Giertrimmung erreicht werden. Ein Problem derartiger Einrichtungen besteht jedoch darin, daß sie bei Windenergieanlagen, bei denen die Rotoren in Windrichtung angeordnet sind, Kollisionen der Rotorblätter mit den Türmen nicht sicher vermeiden können.
Bei einer weiteren bekannten Windenergieanlage der eingangs bezeichneten Gattung ( DE 30 00 678 A1 ) wird eine Verstellvorrichtung für die Rotorblätter in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung geregelt. Hierzu werden mit Hilfe von Drucksonden, die in vergleichsweise großen Abständen von der Rotorachse angeordnet sind, die auf die Rotorblätter wirkenden Druckdifferenzen ermittelt.
Bei einer weiteren bekannten Windenergieanlage ( DE 30 09 922 A1 ) wird die Einstellung der Rotorblattwinkel mit hydraulischen Mitteln in Abhängigkeit von zahlreichen Meßgrößen wie z. B. Differenzdrucken, Belastungen und Beschleunigungen an den Enden der Rotorblätter, Windgeschwindigkeit und Windrichtung gesteuert bzw. geregelt.
Schließlich ist eine Windenergieanlage der eingangs bezeichneten Gattung bekannt ( DE 31 06 624 A1 ), die zur Einstellung der Rotorblattwinkel eine Regelvorrichtung aufweist, der Meßsignale zugeführt werden, die durch Sensoren aus der Umströmung der Rotorblätter gewonnen werden. Dabei ist insbesondere an die Feststellung von Druckänderungen, Druckschwankungen und Druckdifferenzen in verschiedenen Bereichen der Rotorblätter gedacht. Durch die Regelung der Blattwinkel soll allgemein eine Ansteuerung von Stellorganen zur Veränderung der Einstell- und Betriebsparameter erreicht werden.
Die Druckschrift DE 196 26 402 C1 zeigt ein Verfahren zum Blattverstellen der Rotorblätter einer Aktiv-Stall-Windkraftanlage mit zwei oder mehr Rotorblättern und Einzelblattverstellung bei einem Ausschalten der Anlage, zum Beispiel bei einem Netzausfall oder einer zu hohen Windgeschwindigkeit. Das Verfahren umfasst die Schritte eines gleichzeitigen Drehens der Rotorblätter um ihre Längsachse derart, dass die in Drehrichtung rückseitigen Kanten des Rotorblattes zum Wind hin geschwenkt werden, eines Zurückdrehen jeweils nur eines Rotorblattes in eine Fahnenstellung, während der Rotor durch die übrigen Rotorblätter gebremst ist, und eines Zurückdrehen der übrigen Rotorblätter in gleicher Weise.
Mit allen diesen bekannten Einrichtungen lassen sich bisher keine Windenergieanlagen zur Verfügung stellen, bei denen die auf die Unterkonstruktionen ausgeübten Kräfte in Grenzen gehalten und daher Materialermüdungen weitgehend reduziert werden können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung 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 Lösung dieser Aufgabe dienen die 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 vorgeschlagen. 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:
1 bis 3 in je einer schematischen Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht eine herkömmliche Windenergieanlage und ihre verschiedenen Drehachsen;
4 eine Darstellung des Schlagbiegemoments und dessen Zerlegung in Nick- und Gierkomponenten;
5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für die Windenergieanlage nach 1 bis 3;
6 eine Ausführungsform einer Blattverstelleinrichtung mit hydraulischem Antrieb;
7 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Reglerteils zur Kompensation von Nickmomenten des Rotors; und
8 bis 10 anhand von Schaubildern den Verlauf verschiedener, im Rahmen der Erfindung bedeutsamer Größen.
Nach 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 4 966 525 ), brauchen sie hier nicht näher erläutert zu werden. Am Vorderende der Gondel 2 ist ein Rotor 3 um eine im wesentlichen horizontale, zur z-Achse senkrechte Rotorachse x drehbar gelagert. Der Rotor 3 trägt drei Rotorblätter 4, 5 und 6 mit bei Windenergieanlagen allgemein üblichen Querschnittsformen 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 Winkelabständen 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 β_i 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 Schubkräften, die in 1 bis 3 durch die Einzelkräfte F₁, F₂ und F₃ dargestellt sind.
Insgesamt ergeben sich am Rotor 3 der Windenergieanlage folgende Drehmomente. Zunächst wird das übliche, um die Rotationsachse x als Drehachse wirksame Antriebsmoment M_Rot (2) des Rotors 3 erzeugt, das über die Rotorwelle den mit dieser verbundenen Generator antreibt, elektrische Leistung erzeugt und von den eingestellten Blatteinstellwinkeln β_i abhängt. Dies gilt insbesondere auch, wenn alle Rotorblätter 4, 5 und 6 auf konstante und identische Blatteinstellwinkel β_i 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 M_B1, M_B2 und M_B3, die sog. Schlagbiegemomente, die z. B. mit Hilfe von nahe den Wurzeln der Rotorblätter 4, 5 und 6 angeordneten Sensoren 7 (7), z. B. Meßaufnehmern wie Dehnungsmeßstreifen, ermittelt werden können. Aufgrund 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 M_Nick (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 M_Gier (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 Ermittlung des Giermoments dienen ebenfalls die Sensoren 7.
4 zeigt schematisch ein in der yz-Ebene nach 1 bis 3 erzeugtes Schlagbiegemoment M_B1 für das Rotorblatt 4. Durch rechnerische Projektion auf die vertikale z-Achse kann die z- bzw. Gier-Komponente des Biegemoments M_B1 nach folgender Berechnungsvorschrift bestimmt werden: MB1,z = MB1·sinφ. (1)
Das Gesamtgiermoment ergibt sich aus der Summe der Einzelgiermomente M_B1,z, M_B2,z und M_B3,z für die drei Rotorblätter 4, 5 und 6 nach der folgenden Berechnungsvorschrift: MGier = MB1sinφ + MB2sin(φ + 120°) + MB3sin(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 (4) MB1,y = MB1·cosφ (3) und für das resultierende Gesamtnickmoment aller Rotorblätter MNick = MB1cosφ + MB2cos(φ + 120°) + MB3cos(φ + 240°) (4)gilt.
Die zum Verständnis erforderlichen Teile einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind in 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 M_Rot 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 2) abgenommen werden, während schließlich an weiteren Ausgängen des Blocks 3' die für die Ermittlung des Nickmoments M_Nick und des Giermoments M_Gier geeigneten, von den Sensoren 7 (7) erzeugten Ausgangssignale abgenommen werden können.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die Verstellbarkeit der Rotorblätter 4, 5 und 6 zur Reduzierung der beschriebenen Belastungen auszunutzen. Die senkrecht zur Rotorebene (yz-Ebene in 2) sowohl um die z-Achse als auch um die y-Achse erzeugten Schubkräfte hängen vom Einstellwinkel β_i der Rotorblätter ab. Durch getrennte, zyklische Verstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 während jedes Rotorumlaufs wird erfindungsgemäß erreicht, daß konstruktionsbedingte sowie im Betrieb der Windenergieanlage auftretende Drehmomente M_Gier bzw. M_Nick 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 (7) erhaltenen Signale werden an den entsprechenden Ausgängen des Rotors 3 abgenommen und einem Block 10 zugeführt. In diesem werden aus den Biegemomenten M_B1, M_B2 und M_B3 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 M_Gier 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 Sensoren 7, bspw. Meßaufnehmern wie Dehnungsmeßstreifen, kann vorteilhaft im Leerlaufbetrieb (dem sog. Trudeln) durchgeführt werden, da in diesem Betriebszustand die betreffenden Biegemomente im wesentlichen von dem bekannten Eigengewicht der Rotorblätter abhängen.
Das Signal M_Gier wird in einem Vergleicher 11 mit einem vorgegebenen Sollwert M_Gier,ref verglichen, der vorzugsweise auch dem Wert Null entsprechen kann. Die resultierende Regelabweichung ΔM_Gier, wird einem Regler zugeführt. Zur Diskretisierung der Regeldifferentialgleichungen beim Einsatz digitaler Regelgeräte können Standardverfahren benutzt werden (z. B. Rolf Isermann in “Digitale Regelsysteme“, Band 1, Springer-Verlag 1988). Der in 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 β_i (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 M_Gierzu reduzieren bzw. weitgehend zu kompensieren.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Reduzierung des Giermoments durch eine einzeln und unabhängig voneinander bewirkte Verstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 erfolgt. Dieses wird nach einer besonders bevorzugten, in 5 dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Rotorblätter 4, 5 und 6 in Abhängigkeit von der Regelabweichung ΔM_Gier 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 (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 konstruktionsbedingte, 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 ΔM_Gier, als Ausgangsgröße ein Signal β_H 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 β_H 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 β_H des Blocks 12 wird einem ersten Eingang des Blocks 13 zugeführt, der zur Berechnung der verschiedenen Blatteinstellwinkel β_i, anhand des Wertes β_H und des über einen weiteren Eingang zugeführten Rotorwinkels φ dient. Im Ausführungsbeispiel gibt der Block 13 an drei Ausgängen je ein Stellsignal in Form eines Sollwerts β_i,ref bzw. β_1,ref, β_2,ref und β_3,ref, ab, der dem Eingang je einer zugeordneten der Verstelleinrichtungen 14, 15 bzw. 16 zugeführt wird. Die Aufspaltung der Größe β_H in einzelne Blatteinstellwinkel β_i 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 β_i,ref als Sollsignale erhalten, diese mit entsprechenden Istsignalen der Blatteinstellwinkel β_i vergleichen und aus der ermittelten Regelabweichung die Blatteinstellung vornehmen. Zu diesem Zweck sind die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 z. B. mit je einem elektrischen oder hydraulischen Antrieb versehen. Die für die Regelung der Verstelleinrichtung benötigten Komponenten bilden daher zusätzlich zu den Blöcken 12 und 13 Bestandteile des eigentlichen Reglers.
Eine Ausführungsform einer hydraulischen Blattverstelleinrichtung ist in 6 dargestellt. Als Verstellantrieb dient dabei ein hydraulischer Stellzylinder 42, wobei die Längsbewegungen des Kolbens auf einen mit dem Rotorblatt 6 (in 6 ausgespart) starr verbundenen Verstellring 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 β_i,ref erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise nach einer Steuerfunktion, deren Amplitude β_H 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 β1,ref = βH·sinφ, (6) β2,ref = βH·sin(φ + 120°), (7) β3,ref = βH·sin(φ +240°), (8)woraus der sinusförmige Verlauf der Blattverstellungen bzw. der Blatteinstellwinkel β_i im Zuge einer Umdrehung des Rotors 3 berechnet werden kann. Als Ergebnis werden um einen Mittelwert (hier z. B. 0) schwankende Blatteinstellwinkel β_i erhalten. Maximale bzw. minimale Blatteinstellwinkelausschläge ±β_H ergeben sich, wenn das entsprechende Rotorblatt (z. B. Rotorblatt 4 in 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 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 M_Gier, das die Gondel 2 in 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 β_H bewirkt werden.
Die Vorgabe eines von β_H unabhängigen Blatteinstellwinkels erfolgt gemäß 5 mit Hilfe einer weiteren Regelvorrichtung, die als Stellglieder ebenfalls die Verstelleinrichtungen 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 elektrischen 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 β_H = 0 gilt, nehmen somit alle drei Stell- bzw. Sollwerte β_i,ref den Wert β₀ an. Bei β_H ≠ 0 werden die von β_H abhängigen Sollwerte β_i,ref dagegen um den Wert β₀ modifiziert, d. h. die durch β_H zyklisch veränderten Blatteinstellwinkel β_i 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 β_H = 0 für alle Rotorblätter β_i = β₀ gilt.
Im Hinblick auf β₀ kann, abhängig vom jeweiligen Anlagentyp, auf bekannte Regelungskonzepte zurückgegriffen werden (S. Heer: “Windkraftanlagen im Netzbetrieb“, B. G. Teubner, Stuttgart, 2. Auflage 1996, S. 313 ff). Dies ist in 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 P_ref verglichen. Die ermittelte Regelabweichung ΔP wird dem Block 17 zugeführt, 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 n_ref 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 M_ref 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 M_ref 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 Regelvorrichtung 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 Blatteinstellwinkel β_i zu reduzieren. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Blatteinstellwinkel β_i so zu regeln, daß sie das von allen Rotorblättern 4, 5 und 6 erzeugte Nickmoment 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 β_i,ref entsprechend modifiziert werden. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt auch diese Modifizierung zyklisch und insbesondere mit Hilfe einer harmonischen Steuerfunktion, die eine Amplitude β_V vorgibt, die in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel φ des Rotors 3 schwankt.
Bevorzugt wird hierzu die aus 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 (7) gelieferten, durch Messung der oben erläuterten Biegemomente M_B1, M_B2 und M_B3 der Rotorblätter 4, 5 und 6 erhaltenen Signale einem Block 22 zugeführt, in dem aus ihnen ein dem momentanen Istwert des Nickmoments entsprechendes Istsignal M_Nick gebildet wird. Dieses wird in einem Vergleicher 23 mit einem vorgegebenen Sollwert M_Nick,ref verglichen, der vorzugsweise auch dem Wert Null entsprechen kann. Die Regelabweichung ΔM_Nick wird einem Block 24 zugeführt, der an seinem Ausgang analog zum Block 12 ein Signal β_V abgibt, das lediglich die Anforderung einer bestimmten, von allen drei Rotorblättern 4, 5 und 6 zu erzeugenden Blatteinstellwinkelverstellung beinhaltet, die geeignet ist, das momentane Nickmoment M_Nick zu reduzieren bzw. weitgehend zu kompensieren.
Eine geeignete Ausführungsform für die von den Blöcken 12 und/oder 24 durchzuführende Regelfunktion ist in 7 am Beispiel des Blocks 24 dargestellt, wonach der Block 24 ein einfacher Integralregler mit einer Verstärkung K_I,2 sein kann, der aus der Regelabweichung ΔM_Nick den Wert β_V 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 β_V 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 (Comission of the European Communities: “European Wind Atlas“, Risø National Laborstory, ISBN 87-550-1482-8, Roskilde). Damit ist es möglich, den vertikalen 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 β_H verwendet werden.
Das Signal β_V entspricht wie das Signal β_H einer Amplitude, mit welcher die Rotorblätter 4, 5 und 6 um einen voreingestellten, z. B. durch β₀ gegebenen Blatteinstellwinkel β_i zyklisch schwanken sollen. 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 Signal β_V wird wie das Signal β_H direkt einem weiteren Eingang des Blocks 13 zugeführt, der es in Werte umwandelt, mit denen die oben beschriebenen Signale β_i,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 Steuerfunktion 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 M_Nick ein cosinusförmiger Verlauf der Blattverstellungen ergibt, d. h. die durch das Signal β_V 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 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 2 erreicht werden, da in diesem Fall die Schubkräfte kleiner werden. Umgekehrt hat eine Reduzierung der Blatteinstellwinkel in der unteren Hälfte des Rotorkreises dort eine Vergrößerung der Schubkräfte zur Folge.
Werden alle drei Signale β_H, β₀ und β_V gleichzeitig benutzt, wird zweckmäßig die folgende Steuerfunktion vorgegeben:
wobei i, m, β₀, β_H und β_V 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 (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 Schleifringanordnungen, Funkstrecken od. dgl. erfolgen kann. Dies ist in 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 β_H = 0 nur die Gleichung (11) und für β_V = 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 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 β_H, β_V 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 β_H bzw. β_V verursachten Gier- und Nickmomente ergibt. Dies ist in 8 bis 10 schematisch anhand der mit Gleichung (12) berechneten Werte für die Blatteinstellwinkel β_i dargestellt.
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 Rotorumdrehung.
Bild a von 8 zeigt schematisch für β₀ = 4, β_V = 1 und β_H = 0 (entsprechend einer Voreinstellung für die Blatteinstellwinkel β₀ = 4° bzw. Blatteinstellwinkelamplituden β_V von jeweils 1°) anhand je einer Kurve den mit Gleichung (12) berechneten Verlauf der Stellwerte β_1,ref, β_2,ref und β_3,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 zugehörige Rotorblatt 4 parallel zur z-Achse steht (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 M_B1, M_B2 und M_B3 in Bild b von 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 M_B1, M_B2 und M_B3 über eine Rotorumdrehung erzeugt, was mit der Praxis gut übereinstimmt. Das mittlere Biegemoment, resultierend aus einer gleichförmigen Windbelastung, bleibt natürlich erhalten. Größere Blatteinstellwinkel führen dabei in der Regel zu kleineren Biegemomenten und umgekehrt, da dem Wind dann weniger bzw. mehr Angriffsfläche geboten wird.
In Bild b von 8 ist angenommen, daß die Blatteinstellungen nach Bild a zu Biegemomenten 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 β_V jeweils 1,1 bzw. 0,9.
Die Vektoren der Biegemomente liegen nach 4 in der yz-Ebene (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 4 ergibt sich die z-Komponente des Biegemoments von Rotorblatt 4 durch Multiplikation des Biegemoments M_B1 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 β_H = 0 vorausgesetzt ist, haben die von β_V = 1 verursachten Änderungen der Biegemomente im Bild c jeweils Verläufe für die für das Giermoment verantwortlichen z-Komponenten der Biegemomente zur Folge, die z. B. zu einem Wert M_B1,z = 0 in der Stellung φ = 0° des Rotorblatts 4 mit sin φ = 0 und z. B. zu einem Wert M_B1,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 M_B1,y = 0,9 (cos φ = 1) ist, während in der Stellung desselben Rotorblatts 4 bei φ = 90° (cos φ = 0) jetzt M_B1,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 resultierendes Nickmoment von –0,15 (Linie 33) erzeugen. Unter der Voraussetzung β_V = 1 und = 0 wird daher erreicht, daß ohne Einfluß auf das Giermoment eine Reduzierung eines vorhandenen positiven Nickmoments herbeigeführt wird.
9 zeigt analog zu 8 in Bildern a bis e den Verlauf der entsprechenden Größen, wenn β₀ = 4, β_V = 0 und β_H = 1 gewählt wird. Ein Unterschied ergibt sich nur insoweit, 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 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.
10 zeigt schließlich in Bildern a bis e analog den Fall β₀ = 4, β_V = 1 und β_H = 2. Hier überlagern sich die in 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 unabhängig voneinander getroffen werden können. Weiterhin wird durch die beschriebene zyklische Blattverstellung die vom Block 17 in 5 durchgeführte Leistungsregelung nicht beeinträchtigt, da im zeitlichen Mittel stets der vom Block 17 vorgegebene mittlere Blatteinstellwinkel eingestellt wird.
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 Markierung, 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.
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 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 einschließen. 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 4 erzeugten Sollsignale β_i,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 β_i 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 Gleichungen (5), (9) bzw. (12) ein Phasenwinkel φ_R eingeführt wird, der zu einer entsprechenden Phasenverschiebung führt. 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 Steuerfunktionen 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 Steuerfunktionen zeitlich differenziert werden. Dies kann z. B. in Fällen zweckmäßig sein, in denen anstelle von Verstelleinrichtungen in Form von Servo- oder Schrittmotoren solche nach 6 vorgesehen werden, die hydraulische Antriebe besitzen, wobei die Steuerfunktionen auch nicht notwendig harmonisch sein müssen. Wichtig ist in allen Fällen, daß die gewünschte Blatteinstellwinkeleinstellung erreicht wird und die Stellsignale β_i,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 β_H und ggf. β_V noch andere Parameter vorgegeben werden.
Die mit der Größe β_o realisierte Leistungsbegrenzung kann auch auf andere Weise als durch eine Blatteinstellwinkeleinstellung vorgenommen werden, in welchem Fall die Größe β_o in den oben genannten Gleichungen und die zugehörigen Reglerteile in 5 völlig entfallen könnten. Im Hinblick auf das Nickmoment könnte sich ferner als vorteilhaft erweisen, den Sollwert M_Nick,ref in 5 nicht auf den Wert Null, sondern auf einen vorgewählten, festen Wert einzustellen. Das dadurch erhaltene Nickmoment könnte 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.

Claims

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 (β_i) bestimmten Verstelleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Ermittlung eines momentan wirksamen, auf den Rotor (3) bzw. von diesem auf die Unterkonstruktion (1,2) ausgeübten Gier- und/oder Nickistmoments aufweist und die Verstelleinrichtung zur Reduzierung dieses Gier- und/oder Nickistmoments eingerichtet ist, indem sie und die Mittel Bestandteile einer zur Regelung des Gier- und/oder Nickmoments auf einen vorgewählten Sollwert bestimmten Regelvorrichtung bilden.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtung das Stellglied der Regelvorrichtung ist und die Regelvorrichtung Mittel (13) zur Abgabe von der Steuerung der Verstelleinrichtung dienenden Stellsignalen (β_i,ref) aufweist.
Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Verstelleinrichtung auch in Abhängigkeit von der momentanen Drehwinkeleinstellung des Rotors (3) erfolgt.
Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotorblatt (4, 5, 6) durch die Stellsignale (β_i,ref) in Abhängigkeit von der Umlaufbewegung des Rotors (3) zyklisch verstellt werden.
Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (4, 5, 6) in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel (φ) des Rotors (3) harmonisch verstellt werden.
Windenergieanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale (β_i,ref) eine mit der Periodendauer der Umlaufbewegung des Rotors (3) übereinstimmende Periodendauer aufweisen.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Stellsignale (β_i,ref) Steuerfunktionen verwendet werden, deren Amplituden (β_V, β_H) aus der Differenz zwischen dem momentanen Gier- und/oder Nickistmoment und dem vorgewählten Sollwert erhalten werden.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Stellsignale (β_i,ref) Steuerfunktionen verwendet werden, deren Amplituden (β_V, β_H) eine geschätzte Information über das Gier- und/oder Nickistmoment des Rotors (3) enthalten.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Ermittlung des Gier- und/oder Nickistmoments einen Sensor (7) zur Ermittlung einer für das Schlagbiegemoment (M_B1, M_B2, M_B3) des Rotorblatts (4, 5, 6) charakteristischen Größe aufweist und Signale (β_i,ref) verwendet werden, deren Amplituden (β_V, β_H) von dieser charakteristischen Größe abhängen.
Windenergieanlage nach Anspruch 9, 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 (β_i,ref) verwendet werden, deren Amplituden (β_V, β_H) von den für die Schlagbiegemomente (M_B1, M_B2, M_B3) aller Rotorblätter (4, 5, 6) charakteristischen Größen abhängen.
Windenergieanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (7) Dehnungsmeßstreifen enthalten.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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.
Windenergieanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale (β_i,ref) für alle vorhandenen Verstelleinrichtungen um denselben Wert (β₀) modifizierbar sind.