DE202005011896U1

DE202005011896U1 - Windenergieanlage mit Funkübertragung

Info

Publication number: DE202005011896U1
Application number: DE202005011896U
Authority: DE
Original assignee: Repower Systems SE
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2015-07-27

Abstract

Windenergieanlage mit einer auf einem Turm angebrachten Maschinengondel, einem um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerten Rotor mit um ihre Längsachse verstellbaren Rotorblättern, mindestens einer Verstelleinrichtung zur Verstellung der Rotorblätter, welche mindestens einen Aktuator, ein Verstellmodul und ein zur Auslösung einer Störfallrotorblattverstellung bei Auftreten eines Störfalls ausgebildetes Störfallmodul aufweist, sowie einer außerhalb des Rotors befindliche Steuereinrichtung zur Steuerung eines Teils der Windenergieanlage, wobei die Steuereinrichtung mittels einer drahtlosen Datenverbindung mit mindestens einer Verstelleinrichtung der Rotorblätter im Rotor verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellmodul und das Störfallmodul je eine Empfangseinrichtung zum Empfang der über die drahtlose Datenverbindung übertragenen Signale aufweisen, und die drahtlose Datenverbindung ein Störungssignal zwischen Steuereinrichtung und Störfallmodul zur Auslösung der Störfallrotorblattverstellung überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage zum Erzeugen elektrischer Energie mit einem Rotor, mit um ihre Längsachse verstellbaren Rotorblättern, einer Verstelleinrichtung für die Rotorblätter, einer Steuereinrichtung und einer Datenverbindung zum Übertragen von Steuerungssignalen zwischen Steuereinrichtung und Verstelleinrichtung.
Wie aus dem Buch von S. Heer, „Windkraftanlagen" (4. Auflage 2005, ISBN:3-519-36171-X) Seite 370f bekannt ist, müssen Windenergieanlagen in der Lage sein, im Störungsfalle, wie z.B. einem Ausfall des Netzes oder der Steuereinrichtung, die Windenergieanlage gegen Schaden durch übermäßige Belastung zu bewahren. Dazu werden im Stand der Technik Windenergieanlagen beschrieben, die zum Schutz der Windenergieanlage gegen zu hohe mechanische Belastungen die Rotorblätter, sofern sie um ihre Längsachse verstellbar sind, automatisch in Fahnenstellung bewegen. Diese Störfalleinrichtung wird dabei mechanisch, hydraulisch oder elektrisch ausgeführt, wobei insbesondere grundsätzlich ein Energiespeicher vorgesehen ist.
Des Weiteren sind drahtlose Datenverbindungen zur Übertragung von Zustandsinformationen, Steuer- und/oder Regelungssignalen im Maschinenbau allgemein bekannt und werden auch beispielsweise zur Übertragung von Daten einer Windenergieanlage zu einer weit entfernten Zentralsteuerung eines Windparks oder innerhalb einer Anlage benutzt.
Herkömmlicherweise werden die für die Verstellung des Blattwinkels von der Verstelleinrichtung benötigten Daten über eine Drehdurchführung von der feststehenden Gondel in den sich drehenden Rotor übertragen. Nachteil dieser Drehdurchführungen ist, dass die Kontakte verschleißanfällig sind und somit keine sichere Signalübertragung von sicherheitsrelevanten Signalen ermöglichen.
Aufgabe der Erfindung ist es die Datenverbindung zum Rotor derart zu verbessern, dass ein sicherer Betrieb der Windenergieanlage ermöglicht wird.
Die Lösung gemäß der Erfindung liegt in den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist bei einer Windenergieanlage mit einer auf einem Turm angebrachten Maschinengondel, einem um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerten Rotor mit um ihre Längsachse verstellbaren Rotorblättern, mindestens einer Verstelleinrichtung zur Verstellung der Rotorblätter, welche mindestens einen Aktuator, ein Verstellmodul und ein zur Auslösung einer Störfallrotorblattverstellung bei Auftreten eines Störfalls ausgebildetes Störfallmodul aufweist, sowie einer außerhalb des Rotors befindliche Steuereinrichtung zur Steuerung eines Teils der Windenergieanlage, wobei die Steuereinrichtung mittels einer drahtlosen Datenverbindung mit mindestens einer Verstelleinrichtung der Rotorblätter im Rotor verbindbar ist, vorgesehen, dass das Verstellmodul und das Störfallmodul je eine Empfangseinrichtung zum Empfang der über die drahtlose Datenverbindung übertragenen Signale aufweist, und die drahtlose Datenverbindung ein Störungssignal zwischen Steuereinrichtung und Störfallmodul zur Auslösung der Störfallrotorblattverstellung überträgt.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die verschleißanfällige Datenverbindung mittels einer Drehdurchführung durch eine drahtlose Datenverbindung zu ersetzen, wobei die Aufgabe der Drehdurchführung dann nur noch auf die wesentlich einfachere Energieübertragung in den Rotor reduziert werden kann. Es kann auch ganz auf die verschleißanfällige Drehdurchführung verzichtet werden, wenn man zusätzlich eine kontaktlose, schleifringlose Energieübertragung verwendet.
Wesentliches Problem bei drahtlosen Datenverbindungen stellt die Übertragung sicherheitsrelevanter Signale, wie z.B. Störungssignale dar. Dabei wird die Sicherheit der Windenergieanlage dadurch gewährleistet, dass bei einem Störfall ein Störungssignal über die drahtlose Datenverbindung in die Verstelleinrichtung zur Steuerung der Rotorblätter im Rotor übertragen wird. Die Erfindung löst die Übertragungssicherheit des zu übertragenden Störungssignals durch die Merkmale der Unteransprüche. Die Vorrichtung enthält zur Steuerung der Rotorblätter ein Störfallmodul, das das übertragene Signal aufnimmt und auswertet. Wird das richtige Störungssignal vom Störfallmodul empfangen, löst das Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung aus. Diese Störfallrotorblattverstellung kann beispielsweise darin bestehen, dass ein Schalter geschlossen wird, der die Motoren zum Bewegen der Rotorblätter derart schaltet, dass die Rotorblätter in die Fahnenstellung gebracht werden und somit die Umdrehungsgeschwindigkeit der Windenergieanlage verringert wird.
Vorzugsweise ist das Störungssignal zur Auslösung der Störfallrotorblattverstellung die Unterbrechung eines kontinuierlichen Dauersignals. Wenn keine Störung besteht, wird das Dauersignal ununterbrochen über die drahtlose Datenverbindung gesendet und empfangen. Dabei kann das kontinuierliche Dauersignal ein konstantes oder auch ein periodisches Dauersignal sein. Das periodische Dauersignal kann in besonders vorteilhafter Weise so gestaltet werden, dass es ein periodisches Dauersignal ist, das aus einer Grundschwingung mit einer Grundfrequenz und einer aufmodulierten Schwingung mit einer Modulationsfrequenz zusammengesetzt wird. Die Modulationsfrequenz ist dabei kleiner als die Grundfrequenz und verändert die Frequenz der Grundschwingung oder die Höhe der Dauersignalamplitude.
Die Verwendung periodischer Dauersignale bietet den Vorteil, dass sie sich von anderen Signalen leichter unterscheiden lassen und eine Unterbrechung des Dauersignals sicher erkannt werden kann. Dies ist insofern wichtig, als dass es innerhalb der Gondel starke elektromagnetische Felder gibt und sich das Dauersignal daher von zufälligem Rauschen abheben muss.
Der Einfluss des Rauschens kann zusätzlich dadurch verringert werden, dass man die Sende- und Empfangseinrichtungen an Orten platziert, die eine geringe Belastung mit elektromagnetischen Feldern aufweisen oder besondere Abschirmungen gegen die elektromagnetischen Felder im Bereich der drahtlosen Datenverbindung können angebracht werden. Es kann beispielsweise eine Datenverbindung über außen an der Gondel und dem Rotor angebrachte Sende- und Empfangseinrichtungen vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise muss zum Sicherzustellen, dass auch wirklich eine Störung vorliegt, das Dauersignal für eine bestimmte vorgebbare Zeit unterbrochen sein. Die vorgebbare Zeit kann z.B. ein Vielfaches der Frequenz des periodischen Dauersignals sein. Es kann auch in einer denkbaren Alternative bei einem bestimmten Störungssignal, zum Beispiel ein impulsartiges Signal oder eine kurze Unterbrechung des Dauersignals, eine vorgebbare Anzahl von Störungssignalen übertragen werden, bevor das Störfallmodul eine Störung erkennt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird im Störfallmodul das Dauersignal oder dessen Frequenz als Referenz hinterlegt, damit bei Überlagerung oder Störung des Dauersignals mit anderen Signalen eine unsichere Übertragung über die drahtlose Datenverbindung erkannt wird. Wird eine Abweichung des Dauersignals vom Referenzsignal festgestellt, so löst das Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung aus. Dabei wird in besonders vorteilhafter Weise ein Toleranzbereich um das Referenzsignal definiert werden, bei dem das Störfallmodul keine Störfallrotorblattverstellung auslösen soll.
Je nach übertragenem Signal kann das Störfallmodul auch zwischen verschiedenen Alternativen der Störfallrotorblattverstellung wählen. Beispielsweise kann bei vollständigem Fehlen eines Signals von einer schwerwiegenden Störung ausgegangen werden, und es muss eine schnelle Störfallrotorblattverstellung so durchgeführt werden, dass die Anlage zum Stillstand kommt. Bei mehreren übertragenen kurzen Störungssignalen kann von einer weniger schwerwiegenden Störung ausgegangen werden, und das Rotorblatt wird zum Beispiel zunächst nur um einen festen Winkelbetrag in Richtung Fahnenstellung gedreht, um die Umdrehungsgeschwindigkeit zu verringern.
Insbesondere enthält das Störfallmodul ein Signalauswertemodul, das die Aufgabe hat, ein Signal zu empfangen und auszuwerten, ob das Signal das Signal für eine Störfallrotorblattverstellung ist. Dabei kann das Signalauswertemodul im Wesentlichen durch ein Frequenzauswerterelais oder ein Frequenzfilter gebildet sein.
Zweckmäßigerweise überträgt die Versteileinrichtung ein Störsignal zur Steuereinrichtung der Windenergieanlage, sobald eine Störfallrotorblattverstellung durchgeführt wird, damit die Steuereinrichtung erkennen kann, dass die Schutzvorrichtung der Anlage ausgelöst hat und entsprechend kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist alternativ eine elektrisch leitende Datenverbindung über eine Drehdurchführung vorgesehen, die insbesondere dann verwendet wird, wenn an der drahtlosen Datenverbindung ein Fehler vorliegt oder die Anlage aufgrund äußerer Einflüsse nicht in der Lage ist, eine sichere Erkennung des Signals auszuführen.
Dabei kann die Steuereinrichtung der Windenergieanlage eine Selbstdiagnose durchführen und eine entsprechende Fehlermeldung z.B. an eine Überwachungseinrichtung eines Windparkbetreibers weitergeben.
Zweckmäßigerweise sind der Rotor, die Steuereinrichtung der Windenergieanlage und/oder die drahtlose Datenverbindung mit einem Energiespeicher koppelbar, der bei einem Netzausfall die Steuerungskomponenten mit Energie versorgt. Der Energiespeicher kann aus Akkumulatoren oder anderen elektrischen Speichern gebildet sein. Der Energiespeicher kann aber beispielsweise auch ein Dieselaggregat oder ein Speicher für kinetische Energie sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:
1. eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage mit Verstelleinrichtung in der Nabe
2.: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung mit Störfallmodul und drahtloser Datenverbindung.
In 1 wird eine Windenergieanlage 1 dargestellt, die ein Maschinenhaus 2 auf einem Turm 5 mit einem Rotor 3 dargestellt, der drei um ihre Längsachse verstellbare Rotorblätter 4 aufweist. Die Rotorblätter werden durch die im Rotor enthaltene Verstelleinrichtung 6 verstellt. Dabei erhält die Verstelleinrichtung 6 von der nicht in 1 dargestellten Steuereinrichtung 12 der Windenergieanlage 1 entsprechend den aktuellen Erfordernissen Steuerbefehle oder aktuelle Betriebsdaten.
2 veranschaulicht die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung 6. Die Verstelleinrichtung 6 enthält dabei einen Aktuator 7, der so mit dem Rotorblatt 4 verbunden ist, dass er das Rotorblatt 4 bewegen kann. Des Weiteren ist der Aktuator 7 mit einem Verstellmodul 14 verbunden, von dem er angesteuert wird. Das Verstellmodul 14 ist mit einer Empfangseinrichtung 9 verbunden, über die es mittels drahtloser Datenverbindung 15 Signale zur Verstellung des Rotorblatts von der Steuereinrichtung 12 über einen an die Steuereinrichtung 12 angeschlossenen Sender 13 empfängt.
Das Verstellmodul 14 beinhaltet ein Störfallmodul 8, das ebenfalls an die Empfangseinrichtung 9 angeschlossen ist. Das Störfallmodul 8 kann somit ein Störungssignal 16 empfangen. Dabei können das Verstellmodul 14 und das Störfallmodul 8 weitgehend zusammengefasst oder identisch sein.
Empfängt das Störfallmodul 8 das Störungssignal 16, schließt das Störfallmodul 8 einen Schalter 11, der eine elektrische Verbindung zwischen dem Aktuator 7 und einer Stromversorgung 10 herstellt. Der Aktuator 7 ist dadurch bestromt und dreht das Rotorblatt 4 durch eine Störfallrotorblattverstellung in Fahnenstellung, so dass die Windenergieanlage 1 in einem sicheren Betriebszustand ist.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann für jedes Rotorblatt im Rotor ein eigenes Verstellmodul vorgesehen sein, das jeweils über ein eigenes Störfallmodul verfügt. Jedes Störfallmodul kann dann eigenständig eine Störfallrotorblattverstellung für sein Rotorblatt oder auch für alle Rotorblätter auslösen. Es kann bei solch einer Ausführung auch ein weiteres Störfallhauptmodul vorgesehen sein, das mit den Störfallmodulen jeder Achse verbunden ist und von jedem der Störfallmodule das empfangene Störungssignal übertragen bekommt, ohne dass das einzelne Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung durchführt. Das Störfallhauptmodul kann dabei auch wesentlicher Bestandteil eines Störfallmoduls einer Achse sein und entscheidet nach Anzahl und Art der empfangenen Störungssignale, ob und welche Störfallrotorblattverstellung für alle oder einzelne Achsen durchgeführt wird. Dabei kann die Störfallrotorblattverstellung für jedes Rotorblatt unterschiedlich sein.
Je nach Anlagentyp können in der Versteileinrichtung im Rotor und der Steuerungseinrichtung der Windenergieanlage außerhalb des Rotors unterschiedliche Anteile an den gesamten Steuerungsaufgaben einer Windenergieanlage verteilt sein. Dabei können die wesentlichen Teile der Regelungssaufgaben durchaus vorteilhaft in der Versteileinrichtung im Rotor liegen.
Daher kann ein Störfallmodul nicht nur eine einfache Steuerung sein, sondern es kann auch eine Regelung mit vorgebbaren Regelungszielen bei der Störfallrotorblattverstellung sein. Regelziel einer geregelten Störfallrotorblattverstellung muss nicht der Stillstand oder ein möglichst lastarmer Zustand sein, sondern kann auch eine vorgebbare Drehzahl oder ein vorgebbares Drehmoment sein. Die Ziele einer geregelten Störfallrotorblattverstellung können auch über die Zeit änderbar sein. So kann beispielsweise für eine bestimmte Zeit eine bestimmte Drehzahl Regelungsziel sein und anschließend ein möglichst lastarmer Zustand Regelungsziel sein.

Claims

Windenergieanlage mit einer auf einem Turm angebrachten Maschinengondel, einem um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerten Rotor mit um ihre Längsachse verstellbaren Rotorblättern, mindestens einer Verstelleinrichtung zur Verstellung der Rotorblätter, welche mindestens einen Aktuator, ein Verstellmodul und ein zur Auslösung einer Störfallrotorblattverstellung bei Auftreten eines Störfalls ausgebildetes Störfallmodul aufweist, sowie einer außerhalb des Rotors befindliche Steuereinrichtung zur Steuerung eines Teils der Windenergieanlage, wobei die Steuereinrichtung mittels einer drahtlosen Datenverbindung mit mindestens einer Verstelleinrichtung der Rotorblätter im Rotor verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellmodul und das Störfallmodul je eine Empfangseinrichtung zum Empfang der über die drahtlose Datenverbindung übertragenen Signale aufweisen, und die drahtlose Datenverbindung ein Störungssignal zwischen Steuereinrichtung und Störfallmodul zur Auslösung der Störfallrotorblattverstellung überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung der Verstelleinrichtung und die Empfangseinrichtung des Störfallmoduls zum Empfang der über die drahtlose Datenverbindung übertragenen Signale eine einzige Empfangseinrichtung sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Störungssignal die Unterbrechung eines Dauersignals ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Dauersignal ein Dauerwechselsignal mit einer periodisch wechselnden Amplitude ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Dauerwechselsignal im Wesentlichen eine konstante Frequenz besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Dauerwechselsignal eine Trägerfrequenz und eine Modulationsfrequenz besitzt, um die die Trägerfrequenz und/oder die Amplitude des Dauerwechselsignal verändert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung der Rotorblätter ausführt, sobald das Signal für eine vorgebbare Zeit nicht mehr empfangen wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung der Rotorblätter ausführt, sobald eine vorgebbare Anzahl von Signalen empfangen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8 dadurch gekennzeichnet, dass das Dauersignal in dem Störfallmodul als Referenzsignal hinterlegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung der Rotorblätter ausführt, sobald das Dauersignal um einen vorgebbaren Betrag vom Referenzsignal abweicht.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung der Rotorblätter ausführt, sobald das Dauersignal einen vorgebbaren Toleranzbereich um das Referenzsignal herum verlässt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Störfallmodul ein Signalauswertemodul zur Auswertung des zwischen Verstelleinrichtung und Steuerung übertragenen Signals enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Signalauswertemodul im Wesentlichen durch ein Frequenzauswerterelais oder ein Frequenzfilter gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Störungsstatussignal von der Verstelleinrichtung zur Steuerung übertragen wird, sobald das Störfallmodul eine Störfallrotorblattverstellung ausgelöst hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende oder eine faseroptische Datenverbindung zwischen Verstelleinrichtung und Steuerung als alternative Übertragungsleitung verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die alternative Übertragungsleitung verwendet wird, sobald die Steuerung einen Fehler in der drahtlosen Datenverbindung erkennt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeicher des Rotors, der Steuerung der Windenergieanlage und/oder der drahtlosen Datenverbindung ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen ist.