DE19934415B4 - Method for wind tracking in wind turbines - Google Patents

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Abstract

Die Windnachführung von modernen Windenergieanlagen ist nicht optimal. Die verwendeten Sensoren für die Windrichtung sind grob und die Windnachführung wird zeitlich gesteuert, d. h. wird der festgelegte Mittelsektor für eine vorgegebene Zeitspanne verlassen, so wird der Rotor dem Wind nachgeführt. Der Mittelsektor ist recht breit, teilweise +- 10 DEG . Einziges Entscheidungskriterium ist die Windrichtung. DOLLAR A Es ist eine 3%-5% Steigerung des Energieertrages möglich, wenn der Winkel zwischen Windrichtung und Rotorachse genauer und regelmäßiger eingestellt wird. DOLLAR A Als Entscheidungskriterium für den Betrag und die Richtung der Windnachführung werden in der vorgestellten Einrichtung und Optimierungsstrategie neben der Windrichtung, die Winsgeschwindigkeit und die erzeugte Leistung herangezogen. Es werden Leistungskurven für unterschiedliche Anströmrichtungen ausgewertet.The wind tracking of modern wind turbines is not optimal. The sensors used for the wind direction are rough and the wind tracking is timed, d. H. if the specified center sector is left for a predetermined period of time, the rotor will follow the wind. The middle sector is quite wide, sometimes + - 10 °. The only decision criterion is the wind direction. DOLLAR A A 3% -5% increase in energy yield is possible if the angle between wind direction and rotor axis is set more accurately and regularly. DOLLAR A As a decision criterion for the amount and the direction of wind tracking are used in the presented device and optimization strategy in addition to the wind direction, the wind speed and the power generated. Performance curves for different directions of flow are evaluated.

Description

In der Natur ist die Windrichtung nicht konstant, sondern ändert sich kurzfristig nicht vorhersehbar ständig. Daher werden moderne Windenergieanlagen mit einer automatischen Windnachführung ausgestattet, welche den Rotor optimal in den Wind stellen soll. Es kann bei im Abstand von 300 m stehenden Anlagen, mit z. B. 60 m Rotordurchmesser, beobachtet werden, dass die Rotorachsen nahe beieinander stehender Windenergieanlagen über 10 min. Zeiträume in 20° – 30° unterschiedliche Richtungen zeigen.In In nature, the wind direction is not constant, but changes short-term unpredictable constantly. Therefore, become modern Wind turbines equipped with automatic wind tracking, which should set the rotor optimally in the wind. It can be at the Distance of 300 m standing plants, with z. B. 60 m rotor diameter observed be that the rotor axes of nearby wind turbines over 10 min. periods different in 20 ° - 30 ° Show directions.

Die Beobachtung kann bei allen Anlagentypen gemacht werden, wobei der Betrag des Abweichungswinkels typabhängig ist.The Observation can be made with all plant types, whereby the Amount of the deviation angle is type-dependent.

Die Rotorfehlstellung zur Windrichtung hat min. zwei negative Folgen:

  • – Der Energieertrag ist geringer (3% – 5%).
  • – Die Betriebslasten sind höher als notwendig.
The rotor misalignment to the wind direction has min. two negative consequences:
  • - The energy yield is lower (3% - 5%).
  • - The operating loads are higher than necessary.

Zwei Hauptprinzipien der Windnachführung sind bekannt:

  • – Die passive Nachführung, bei der der Rotor durch eine hinter diesem angeordnete große Windfahne nachgeführt wird oder auch das von der Windenergieanlage "aeroman" bekannte Seitenrad, welches auf ein Schneckengetriebe wirkt. Passive Nachführungen werden im Folgenden nicht betrachtet.
  • – Bei der aktiven Windnachführung wird der Winkel zwischen Rotorachse und Windrichtung mit einer kleinen Fahne, in der Regel hinter dem Rotor, gemessen und durch eine Steuerung oder Regelung, welche Teil der Betriebsführung ist, und elektro- bzw. hydromechanische Antriebe dem Wind nachgeführt. Bei der herkömmlichen Nachführstrategie wird versucht, die Laufzeit der Motoren gering zu halten. Dies führt zusätzlich zu einer erhöhten Winkelabweichung.
Two main principles of wind tracking are known:
  • - The passive tracking, in which the rotor is tracked by a arranged behind this large wind vane or even from the wind turbine "aeroman" known side wheel, which acts on a worm gear. Passive tracking is not considered below.
  • - In active wind tracking, the angle between the rotor axis and wind direction with a small flag, usually behind the rotor, measured and tracked by a controller or control, which is part of the operation management, and electric or hydromechanical drives the wind. In the conventional tracking strategy is trying to keep the running time of the motors low. This additionally leads to an increased angular deviation.

Derzeit bekannte Windnachführungsverfahren berücksichtigen nur die Abweichung zwischen Windrichtung und Richtung der Rotorachse, unabhängig welche Leistung erzeugt wird. Hau (vgl. Hau, Erich: Windkraftanlagen, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo, 1988) beschreibt auf Seite 324 in Abschnitt 10.1, dass für die motorische Windnachführung lediglich die Windrichtung notwendig ist.Currently known wind tracking method consider only the deviation between the wind direction and the direction of the rotor axis, independently which power is generated. Hau (see Hau, Erich: wind turbines, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo, 1988) describes on page 324 in section 10.1 that for the motor Yaw only the wind direction is necessary.

Der drehende Rotor verursacht eine Verwirbelung des Nachstromes, in dem die Windfahne meist angeordnet ist, so dass bei jedem Durchgang eines Blattes vor der Windfahne eine Windrichtungsänderung von mehr als 30° gemessen wird. Die Windrichtungssensoren sind in der Regel recht grob. Die feinste Auflösung kann 11° und mehr betragen. Es werden auch Hell – Dunkel – Scheiben mit 90° Teilung eingesetzt.Of the rotating rotor causes turbulence of the wake, in the wind vane is usually arranged so that with each passage of a Leaf measured in front of the wind vane a wind direction change of more than 30 ° becomes. The wind direction sensors are usually quite rough. The finest resolution can 11 ° and be more. It will also light - dark - slices with 90 ° division used.

Die Betriebsführung entscheidet, dass dem Wind nachzufahren ist, wenn die scheinbare Windrichtung hinter dem Rotor in einer vorgegebenen Zeitspanne einen vorgegebenen Winkel überschreitet. Um die Motoren nicht ständig zu starten, ist die kleinste zulässige mittlere Abweichung teilweise größer 10° gewählt.The management decides to follow the wind when the apparent Wind direction behind the rotor in a given period of time exceeds predetermined angle. To the engines not constantly to start is the smallest allowed mean deviation sometimes greater than 10 ° selected.

Noch min. zwei Ursachen können zu weiteren dauerhaften Fehlstellungen führen:

  • – Der Windrichtungssensor ist verdreht angebaut (häufig genannter Fehler).
  • – Die Richtung des mittleren Nachstromfeldes hängt bei gegebener Kontur der Windenergieanlagengondel von der Kombination Rotordrehzahl und Windgeschwindigkeit ab und ist nicht konstant und in der Regel unbekannt.
Still min. Two causes can lead to further permanent misalignments:
  • - The wind direction sensor is mounted twisted (often called error).
  • - The direction of the average Nachstromfeldes depends on given contour of the wind turbine gondola of the combination rotor speed and wind speed and is not constant and usually unknown.

Eine optimale Windnachführung lässt sich mit den derzeitig angewendeten Methoden nicht realisieren.A optimal wind tracking can be with you do not realize the currently used methods.

Ziel der Erfindung:Object of the invention:

Ein verbessertes Windnachführungsverfahren wird den Azimutwinkel einer Windenergieanlage einstellen, indem die Windgeschwindigkeit, die Windrichtung und die erzeugte Leistung gemeinsam ausgewertet werden.One improved wind tracking method will adjust the azimuth angle of a wind turbine by: the wind speed, the wind direction and the generated power be evaluated together.

Zentrale theoretische und messtechnische Erkenntnis, welche in ein Windnachführungsoptimierungsverfahren umzusetzen ist, ist, dass sich die Leistungskurven (Leistungsabgabe abhängig von der Windgeschwindigkeit) für unterschiedliche Stellungen des Rotors zum Wind deutlich unterscheiden. Für jede Windgeschwindigkeit ergibt sich in dem dreidimensionalen Diagramm (siehe Bild 1) in der Ebene "Windrichtung – Leistung" ein eindeutiges Optimum, dessen Lage mit bekannten Optimierungsrechnungen leicht zu finden ist.headquarters theoretical and metrological knowledge, which in a Windnachführungsoptimierungsverfahren is to implement, is that the performance curves (power output dependent from the wind speed) for Different positions of the rotor clearly distinguish the wind. For every wind speed results in the three-dimensional diagram (see Figure 1) in the level "wind direction - performance" a clear Optimum, its location with known optimization calculations easily can be found.

Die Leistungskurven in den unterschiedlichen Sektoren können ständig gemessen und so die Datenbasis verbessert bzw. alterungsbedingte Änderungen der Anlage berücksichtigt werden. Wird die Leisungskurve ständig gemessen, so kann auch eine falsche Montage der Windfahne ausgeglichen werden.The Performance curves in different sectors can be measured continuously and so the database improved or age-related changes the plant is taken into account become. If the power curve is constantly measured, so can a wrong assembly of the wind vane are compensated.

Es ist auch möglich, die Leistungskurven für unterschiedliche Anströmwinkel einmalig vorweg zu messen oder zu berechnen und fest vorzugeben, ohne diese im Betrieb weiter zu aktualisieren. Ausrichtungsfehler der Windfahne können dann nicht ausgeglichen werden.It is also possible to use the power curves for to measure or calculate different flow angles once in advance and to specify them without further updating them during operation. Alignment errors of the wind vane can then not be compensated.

Das Verfahren ist prinzipiell "nachlaufend", da zuerst einmal für einige Zeit die Windrichtung, die Windgeschwindigkeit und die erzeugte Leistung gemessen werden müssen, um eine Optimierung durchführen zu können, und dies dann in der Hoffnung, dass der Wind in der nächsten Zeit aus der gleichen Richtung weht. Die Notwendigkeit einer Windnachführung zeigt jedoch, dass dies nicht immer so ist. Die Güte des Verfahrens kann weiter gesteigert werden, wenn aus den Windrichtungsänderungen ein Trend abgeleitet wird und dieser in der aktuellen Windnachführung "vorausschauend" berücksichtigt wird.The Procedure is basically "trailing", because first of all for some Time the wind direction, the wind speed and the generated Power must be measured to perform an optimization to be able to and then in the hope that the wind in the next time blowing from the same direction. The need for wind tracking shows however, that this is not always the case. The quality of the process can continue be increased when derived from the wind direction changes a trend and this is considered in the current wind tracking "anticipatory" becomes.

Claims (4)

Verfahren zur Windnachführung bei Windenergieanlage gekennzeichnet dadurch, dass die Einstellung des Winkels zwischen der Richtung der Rotorachse und der Windrichtung aufgrund der Erfassung und gemeinsamen Auswertung von Windrichtung, Windgeschwindigkeit und erzeugter Leistung erfolgt, wobei eine beliebige Anzahl von Leistungskurven (Leistungsabgabe abhängig von der Windgeschwindigkeit) für unterschiedliche Winkel zwischen Windrichtung und Rotorachse ausgewertet wird, indem der Scheitelpunkt der Leistungskurven für unterschiedliche Anströmwinkel bei der aktuell herrschenden Windgeschwindigkeit ermittelt und die aktuelle Abweichung zum optimalen Anstellwinkel korrigiert wird.Method for wind tracking in wind energy plant characterized in that the adjustment of the angle between the direction of the rotor axis and the wind direction due to the detection and joint evaluation of wind direction, wind speed and generated power, with any number of Performance curves (power output depending on the wind speed) for different Angle between wind direction and rotor axis is evaluated by the vertex of the power curves for different flow angles determined at the currently prevailing wind speed and the current deviation is corrected to the optimum angle of attack. Verfahren zur Windnachführung bei Windenergieanlagen nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leistungskurven für verschiedene Windrichtungen aus vorhergegangenen Betrachtungen vorgegeben werden, ohne diese im Betrieb weiter zu aktualisieren.Method for wind tracking in wind turbines according to claim 1, characterized in that the power curves for different wind directions from previous considerations, without them continue to update during operation. Verfahren zur Windnachführung bei Windenergieanlagen nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Leistungskurven für verschiedene Windrichtungen durch ständige Betriebsmessung aktualisiert werden.Method for wind tracking in wind turbines according to claim 1, characterized in that the power curves for different wind directions through constant Operating measurement to be updated. Verfahren zur Windnachführung bei Windenergieanlagen nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass aus den in der Vergangenheit notwendig gewordenen Windnachführungen eine Tendenz abgeleitet und bei der aktuell notwendigen Windnachführung berücksichtigt wird.Method for wind tracking in wind turbines according to claim 1, characterized in that from the in the Past wind readings have derived a tendency and is taken into account in the currently necessary Windnachführung.
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