DE2922972A1 - CONTROL SYSTEM FOR A WIND TURBINE GENERATOR - Google Patents
CONTROL SYSTEM FOR A WIND TURBINE GENERATORInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Ausnutzen der Windenergie zum Antreiben einer Windturbine für die Erzeugung von elektrischer Leistung und betrifft insbesondere ein Regelsystem, welches den Blattanstellwinkel der Windturbinenblätter automatisch beeinflußt, um entweder die elektrische Ausgangsleistung, das Wellendrehmoment oder die Drehzahl zn regeln und die Auswirkungen von Windböen und "Turbulenz zu minimieren und die Beanspruchung der Blätter and anderer mechanischer Teile zu verringern.The invention relates to the exploitation of wind energy to drive a wind turbine for the generation of electrical power and relates in particular to a control system which automatically influences the blade pitch angle of the wind turbine blades in order to regulate either the electrical output power, the shaft torque or the speed and the effects of To minimize gusts of wind and turbulence and to reduce stress on blades and other mechanical parts.
Versuche zur Bändigung der iiatiirkräfr^ sun. *\:-.;.h..ls ils-? Menschen sind in den frühesten Geschieh tsblätusr." ■"&:.-■ 'iivh.:ist, SineAttempts to tame the iiatiirkräfr ^ sun. * \ : -.;. h..ls ils-? People are in the earliest history "■"&: .- ■ 'iivh.:ist, Sine
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der ersten praktischen Anwendungen war die Ausnutzung der Windenergie zum Antrieb von Windmühlen, um Leistung zu erzeugen. Die Besorgnis, daß die in der Welt verfügbaren Energiequellen schließlich zu Ende gehen, hat das Interesse an der Erzeugung von Leistung aus natürlich vorkommenden Erscheinungen erneuert und zur Entwicklung von verschiedenen Schemata zum wirtschaftlichen, wirksamen und zuverlässigen Erzeugen dieser Leistung geführt. Infolgedessen hat die Windmühle als eine Teillösung zur Deckung des zunehmenden Weltenergiebedarfs beträchtliche Aufmerksamkeit gefunden.the first practical application was the use of wind energy to drive windmills to generate power. Concern that the sources of energy available in the world finally coming to an end has interest in the generation of power from naturally occurring phenomena renewed and designed to develop various schemes to be economical, effective and reliable Generating this achievement led. As a result, the windmill has emerged as a partial solution to meeting the world's increasing demand for energy received considerable attention.
Das Grundproblem bei mit Windmühlen oder Windturbinen erzeugter Leistung ist nicht ihre Gesamtverfügbarkeit, sondern die Bändigung dieser Leistung in effizienter Weise und das Liefern derselben in der geeigneten Form, in der sie für öffentliche Stromversorgungen oder für isolierte Stationen nutzbar ist* An vielen Orten sind Winde,bestenfalls, hinsichtlich ihrer Richtung und Geschwindigkeit unvorhersagbar und die Verfügbarkeit von nutzbarer Ausgangsleistung zu irgendeiner bestimmten Zeit ist ungewiß. Die Menge an verfügbarer Leistung ändert sich mit der Windgeschwindigkeit und Windböen verursachen vorübergehende Änderungen in der Ausgangsleistung. Die Windmühlenausgangsleistung kann zwar direkt zum Antrieb von mechanischen Vorrichtungen benutzt werden, am nützlichsten ist sie jedoch in elektrischer Form, in der sie zu neuen oder vorhandenen Stromversorgungsnetzen übertragen werden kann, um durch Industrie und Haushalte benutzt zu werden. Zum Erzeugen von nutzbarer elektrischer Leistung wird die Drehenergie der Windmühle benutzt, um eine Dynamomaschine anzutreiben, die nach Bedarf elektrischen Wechsel- oder Gleichstrom erzeugt. In einigen Fällen wird die Gleichstromausgangsleistung zum Aufladen von großen Speicherbatterien benutzt, die bei Bedarf elektrische Leistung abgeben. Die Verwendung von Speicherbatterien erfordert im allgemeinen das Umwandeln von Gleichstrom in Wechselstrom über statische Wechselrichter oder andere Einrichtungen. Wenn statt Gleichstromleistung Wechselstromleistung über einen durch eine Windmühle angetriebenen Synchrongene-The basic problem with those generated by windmills or wind turbines Performance is not its total availability, but the taming of this performance in an efficient manner and the delivery the same in the appropriate form in which they can be used for public power supplies or for isolated stations is * In many places there are winds, at best, with regard to them Direction and speed unpredictable and the availability of usable output power to any given one Time is uncertain. The amount of available power changes with wind speed and gusts of wind cause temporary ones Changes in output power. The windmill output While it can be used directly to drive mechanical devices, it is most useful however, in electrical form in which it can be transferred to new or existing electricity networks in order to through To be used in industry and households. The rotary energy of the windmill is used to generate usable electrical power used to drive a dynamo that generates alternating or direct current as required. In some In some cases, the DC output is used to recharge large storage batteries, which are electric when needed Deliver performance. The use of storage batteries generally requires converting direct current to alternating current via static inverters or other devices. If instead of direct current power, alternating current power via a synchronous generator driven by a windmill
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rator benutzt wird, müssen sowohl die Frequenz als auch die Phase der Wechselstromleistung sowie die Wechselstromleistung selbst geregelt werden, bevor die Wechselstromleistung kommerziellen Benutzern zugeführt oder in vorhandene Stromversorgungsnetze eingespeist werden kann.rator is used, the frequency and phase of the AC power as well as the AC power must be determined self-regulating before the AC power is supplied to commercial users or into existing power grids can be fed.
Es hat sich gezeigt, daß die Regelung, die zum Erzeugen von elektrischer Leistung aus einem durch eine Windturbine angetriebenen Synchrongenerator erforderlich ist, erfolgen kann, indem der Anstellwinkel der Windturbinenblätter in einer Weise verändert wird, die der Blattanstellwinkelregelung für einen Flugzeugpropeller analog ist. Die US-PS 2 363 850 beschreibt einen durch eine Windturbine angetriebenen Wechselstromgenerator mit einem durch eine Drehzahlregler gesteuerten Mechanismus zum Verändern des Winkels der Windturbinenblätter zwischen voller Fahnen- oder Segelstellung und VoIlleistungsstellung. Es sind Einrichtungen zum Regeln der elektrischen Ausgangsfrequenz, der Phase und der Leistung und zum Abschalten des elektrischen Generators bei Windgeschwindigkeiten, die zum Erzeugen der gewünschten Leistung zu hoch oder zu niedrig sind, beschrieben. Die US-PS 2 547 636 beschreibt eine automatische Drehzahlregelung für eine Windturbine zum Regeln der Ladegeschwindigkeit einer Speicherbatterie, wobei die Drehzahlregelung aus mechanischen Vorrichtungen besteht, die auf die Windgeschwindigkeit ansprechen und den Blattanstellwinkel ändern. Die US-PS 2 583 369 beschreibt eine ähnliche Regelung zum mechanischen Verstellen des Blattanstellwinkels, um eine relativ konstante Drehzahl des elektrischen Generators und damit eine relativ konstante Wechselstromausgangsfrequenz aufrechtzuerhalten.It has been shown that the regulation, which is used to generate electrical power from a wind turbine driven by a wind turbine Synchronous generator is required, can be done by adjusting the angle of attack of the wind turbine blades in a way is changed, which is analogous to the blade pitch control for an aircraft propeller. U.S. Patent 2,363,850 describes an alternator driven by a wind turbine with one controlled by a speed governor Mechanism for changing the angle of the wind turbine blades between full vane position and full power position. There are devices for regulating the electrical output frequency, the phase and the power and for Switching off the electrical generator at wind speeds that are too high or too high for generating the desired power are too low. The US-PS 2,547,636 describes an automatic speed control for a wind turbine for Regulating the charging speed of a storage battery, the speed regulation consisting of mechanical devices, which respond to the wind speed and change the blade pitch. U.S. Patent No. 2,583,369 describes a similar one Regulation for the mechanical adjustment of the blade pitch to a relatively constant speed of the electric generator and thereby maintain a relatively constant AC output frequency.
Die US-PS 2 795 285 beschreibt eine Regelung zum Verändern der Änderungsgeschwindigkeit der Belastung, der Drehzahl oder der Spannung eines windgetriebenen Motors durch Verändern des Anstellwinkels der Windturbinenblätter nach Art eines geschlos-The US-PS 2,795,285 describes a control for changing the rate of change of the load, the speed or the voltage of a wind-driven motor by changing the angle of attack of the wind turbine blades in the manner of a closed
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senen Regelkreises. Die US-PS 2 832 895 beschreibt eine weitere Einrichtung zum Einstellen des Blattanstellwinkels einer Windturbine, wobei die Einrichtung auf eine vorbestimmte Belastung einer Batterie oder auf plötzliche Windböen anspricht.its control loop. US Pat. No. 2,832,895 describes another device for adjusting the blade angle of a Wind turbine, the device being responsive to a predetermined load on a battery or to sudden gusts of wind.
Das Grundproblem besteht bei den bekannten Einrichtungen darin, daß sie nicht schnell genug oder mit ausreichender Genauigkeit ansprechen, um die Beanspruchungen in den Blättern und anderen mechanischen Teilen auf zulässige Werte zu begrenzen. Sie werden durch Windböen und Turbulenz übermäßig beeinflußt und können keine zufriedenstellende Leistungsregelung in einem weiten Bereich von Windzuständen aufrechterhalten, um eine Verbindung mit einem herkömmlichen Stromversorgungsnetz oder einem Stromverteilungssystem zu gestatten. Bei hohen Windgeschwindigkeiten erzeugt sogar schwache Turbulenz beträchtliche Leistungsschwankungen und kann bewirken, daß der Generator von dem Netz abgeschaltet wird.The basic problem with the known devices is that they are not fast enough or with sufficient accuracy respond in order to limit the stresses in the blades and other mechanical parts to permissible values. They are overly affected by gusts of wind and turbulence and cannot provide a satisfactory power control all in one sustained wide range of wind conditions to connect to a conventional utility grid or a power distribution system. At high wind speeds even weak turbulence creates considerable fluctuations in power and can cause the generator to run is disconnected from the network.
Die Erfindung überwindet die Beschränkungen des Standes der Technik und schafft eine sehr ansprechempfindliche und schnell wirkende Anstellwinkelregelung für die Blätter einer Windturbine. Die Regelung hält die elektrische Wechselstromfrequenz, die Phase, die Drehzahl, das Drehmoment und die Leistung innerhalb gewünschter Toleranzen und legt außerdem den Blattanstellwinkel während des Anlaufes und des Abschaltens nach einem Plan fest, um unerwünschte Belastungen der mechanischen Teile zu verhindern. Die Regelung ist adaptiv, da die Blattanstellwinkelregler auf die Windgeschwindigkeitsgröße und auf Minderungen in der Windgeschwindigkeit ansprechen und für eine zufriedenstellende Leistungs-? Drehmoment- und Drehzahlregelung sorgen» Das Regelsystem arbeitet vorzugsweise elektronischy ist deshalb schnellwirkend und kann mit Digitalrechnern oäer Mikroprozessoren preisgünstig implementiert werden»The invention overcomes the limitations of the prior art and creates a very responsive and fast acting angle of attack control for the blades of a wind turbine. The control keeps the electrical alternating current frequency, the phase, the speed, the torque and the power within the desired tolerances and also determines the blade pitch angle during start-up and shutdown according to a plan in order to prevent undesirable loads on the mechanical parts. The regulation is adaptive, since the blade pitch regulators respond to the wind speed size and to reductions in the wind speed and for a satisfactory performance? Torque and speed control ensure »The control system works preferably electronically y is therefore fast acting and can be implemented inexpensively with digital computers or microprocessors»
Die Erfindung schafft demgemäß ein verbessertes Blattansteil= ■Winkelregelsystem für eine Windturbine, das den Windturbinen= isXattanstellwinkel unter Berücksichtigung eiaer groBen ÄasalilThe invention accordingly creates an improved blade pitch = ■ angle control system for a wind turbine, which the wind turbines = IsXattan angle of incidence taking into account a large aasalil
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von Betriebszuständen beeinflußt.influenced by operating conditions.
Weiter schafft die Erfindung eine elektronische Blattanstellwinkelregelung für Windturbinen, die den Blattwinkel nach einem Plan festlegt, um die Blattbeanspruchung und Wellendrehmomentänderungen während Anlauf- und Abschaltübergangsvorgängen zu minimieren.The invention also provides an electronic blade pitch control for wind turbines, which determines the blade angle according to a plan, the blade stress and changes in shaft torque to minimize start-up and shutdown transitions.
Ferner schafft die Erfindung eine elektronische Blattanstellwinkelregelung für Windturbinen, die die Drehzahl, das Drehmoment und die Leistungsabgabe eines turbinengetriebenen Synchrongenerators nach Art eines geschlossenen Regelkreises regelt. The invention also provides an electronic blade pitch control for wind turbines that control the speed, torque and power output of a turbine-driven synchronous generator regulates in the manner of a closed control loop.
Weiter schafft die Erfindung einen geschlossenen Blattanstellwinkelregelkreis für eine Windturbine, in welchem P-, I- und D-Regelsignale erzeugt werden und die Schleifen- oder Regelverstärkungen in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit kontinuierlich verändert werden.The invention also creates a closed blade pitch control loop for a wind turbine in which P, I and D control signals are generated and the loop or control gains can be changed continuously depending on the wind speed.
Weiter schafft die Erfindung eine elektronische Regelung, die die Wechselstromausgangsleistung eines windturbinengetriebenen Synchrongenerators auf einem vorbestimmten Wert und auf einer vorbestimmten Frequenz und Phase hält und das Einspeisen der Wechselstromleistung in ein Netz automatisch regelt.The invention further provides an electronic control that regulates the AC output power of a wind turbine-powered Synchronous generator at a predetermined value and at a predetermined frequency and phase and the feeding of the Automatically regulates AC power in a network.
Weiter schafft die Erfindung ein Stromerzeugungssystem mit einer windgetriebenen Turbine, das die Blattanstellwinkelverstellung bei schnellen Änderungen des Windes kompensiert.The invention also provides a power generation system with a wind-powered turbine that adjusts the blade pitch compensated for rapid changes in the wind.
Der erfindungsgemäße Regelkreis für einen windturbinengetriebenen Generator enthält einen Integrator, der dem Blattwinkel der Windturbine selbst dann folgt, wenn die Regelung inaktiv ist.The control loop according to the invention for a wind turbine-driven one The generator contains an integrator that follows the blade angle of the wind turbine even when the control is inactive is.
Ferner schafft die Erfindung ein windturbinengetriebenes Generatorsystem, in welchem die Drehzahl aus Systembetriebspara-Furthermore, the invention creates a wind turbine-driven generator system, in which the speed from system operating
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metern synthetisiert wird.meters is synthesized.
Bei dem windturbinengetriebenen Generator wird erfindungsgemäß der Turbinenblattwinkel als Funktion entweder der Generatordrehzahl oder der Generatorleistung in Abhängigkeit von der Verbindung des Generators mit einem Stromübertragungsnetz geregelt.In the case of the wind turbine-driven generator, according to the invention the turbine blade angle as a function of either the generator speed or the generator power depending on the connection of the generator to a power transmission network regulated.
Gemäß der Erfindung wird eine Windturbine mit veränderlichem Blattanstellwinkel über ein herkömmliches Getriebe mit einem Synchrongenerator verbunden, um Wechselstromleistung zu erzeugen, die direkt zum Versorgen einer Belastung oder zur Speisung eines herkömmlichen Stromversorgungsnetzsystems benutzt werden kann. Während des Anlaufs und während des Abschaltens der Windturbine wird der Blattanstellwinkel durch rückführungslose Steuereinrichtungen in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl und der Windgeschwindigkeit planmäßig festgelegt. Wenn der Generator unabhängig von einem Netz betrieben wird, wird der Blattanstellwinkel durch einen geschlossenen Rotordrehzahlregelkreis festgelegt, der zusätzlich zur Voreilkompensation mit P-, I- und D-Regelsignalen arbeitet. Wenn der Generator mit einem Stromversorgungsnetz verbunden ist, wird der Blattanstellwinkel durch einen geschlossenen Drehmoment- oder Generatorleistungsregelkreis festgelegt, der mit P-, I- und D-Regelsignalen arbeitet. Bei Generatorleistungs- oder Wellendrehmomentregelung wird die Rotordrehzahlregelung so modifiziert, daß sie als ein Spitzen- oder Überdrehzahlschutz wirkt. Die Verstärkungen in den geschlossenen Regelkreisen werden in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit kontinuierlich verändert, um die Stabilität und das Einschwingverhalten zu optimieren. Die Windgeschwindigkeit kann direkt abgefühlt oder in Abhängigkeit von Systembetriebszuständen synthetisiert werden. Das Regelsystem für den Blattanstellwinkel ist für Windböen sehr ansprechempfindlich und spricht über ein Vorwegnahmeregelsignal schnell an, das während schneller Änderungen der Windzustände zu den Regelkreissignalen addiert wird, um mechanische Beanspruchungen zu minimieren. Ein Integrator in den ge-According to the invention, a wind turbine with a variable blade angle via a conventional transmission with a Synchronous generator connected to produce alternating current power which is used directly for supplying a load or for feeding a conventional power grid system can be used. During start-up and during shutdown of the wind turbine, the blade pitch angle is determined by closed-loop control devices as a function of the rotor speed and the wind speed as planned. If the generator is operated independently of a network, the Blade pitch angle determined by a closed rotor speed control loop, which in addition to lead compensation with P, I and D control signals works. When the generator is connected to a power supply network, the blade pitch will be determined by a closed torque or generator power control loop with P, I and D control signals is working. In the case of generator power or shaft torque control, the rotor speed control is modified in such a way that that it acts as a peak or overspeed protection. The gains in the closed control loops are dependent continuously changed by the wind speed in order to optimize the stability and the transient response. The wind speed can be sensed directly or synthesized as a function of system operating conditions. The control system for the blade pitch is very sensitive to gusts of wind and speaks via an anticipatory control signal quickly, which is added to the control loop signals during rapid changes in the wind conditions, in order to avoid mechanical To minimize stress. An integrator in the
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schlossenen Regelkreisen wird über eine Rückführungsschleife angesteuert, um den Blattanstellwinkel selbst dann zu verfolgen, wenn die geschlossenen Regelkreise inaktiv sind. Das Regelsystem ist speziell zur Implementierung unter Verwendung von Digitalelektronik geeignet, es können aber auch Analogelektronikschaltungen benutzt werden.closed control loops is controlled via a feedback loop in order to track the blade angle even then, when the closed control loops are inactive. The rule system is specifically designed to be implemented using suitable for digital electronics, but analog electronic circuits can also be used.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Several exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 ein Beispiel einer Windturbine,1 shows an example of a wind turbine,
Fig. 2 einen Schaltplan, der die gegenseitigeFig. 2 is a circuit diagram showing the mutual
Beziehung zwischen den Turbinenblättern, dem elektrischen Stromerzeugungssystem und dem Blattanstellwinkelregelsystem zeigt,Relationship between the turbine blades, the electrical power generation system and the blade pitch control system shows
Fig. 3 einen Schaltplan des BlattanstellwinkelFig. 3 is a circuit diagram of the blade pitch
regelsystems von Fig. 2,control system of Fig. 2,
Fig. 4 ein Diagramm, das den BeschleunigungsreFig. 4 is a diagram showing the acceleration rate
gelplan für den Blattanstellwinkel zeigt,gel plan for the blade angle shows
Fig. 5 ein Diagramm, das den VerzögerungsregelFig. 5 is a diagram showing the delay rule
plan für den Blattanstellwinkel zeigt,shows plan for the blade pitch,
Fig. 6 ein Blockschaltbild des RotordrehzahlreFig. 6 is a block diagram of the rotor speed re
gelplans,gel plan,
Fig. 7 ein Blockschaltbild des Windvorwegnahme-Fig. 7 is a block diagram of the wind anticipation
regelplans,control plan,
Fig. 8 ein Blockschaltbild des Wellendrehmoment-Fig. 8 is a block diagram of the shaft torque
regelplans,control plan,
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Fig. 9 ein Blockschaltbild der VerstärkungsFigure 9 is a block diagram of the gain
pläne für die Regelschleifen von Fig. und 8,plans for the control loops of Fig. and 8,
Fig. 10 ein Blockschaltbild einer Änderung derFig. 10 is a block diagram of a modification of the
in Fig. 9 gezeigten Verstärkungsplanung unter Verwendung einer synthetisierten Windgeschwindigkeit undGain planning shown in Fig. 9 using a synthesized one Wind speed and
Fig. 11 ein Blockschaltbild von alternativen Re11 is a block diagram of alternative Re
gelkreisen für den Blattanstellwinkel.gel circles for the blade pitch.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für eine Windturbinenkonstruktion, die aus zwei diametral entgegengesetzten, gleichen Rotoroder Propellerblättern 10 besteht, die typischerweise im Durchmesser insgesamt 30,5 m bis 91 m betragen, und auf einem offenen Gitterturm 12 montiert ist, der für einen ausreichenden Bodenabstand der Blätter sorgt und diese dabei in ein Gebiet relativ hoher Windgeschwindigkeit bringt. Die Rotorblätter sind im allgemeinen aus Aluminium, Stahl oder Fiberglas hergestellt. Die elektrische Stromerzeugungseinheit und weitere mechanische Teile sind in einer Zelle 14 enthalten und auf einer nicht gezeigten Auflageplatte montiert. Die Rotorblätter 10 sind am Ende der Zelle 14 windabwärts des Turms angeordnet, damit sie nicht den Turm berühren können, wenn sie unter Stoßbelastung schlagen. Eine Gierregelung (nicht gezeigt) kann vorgesehen sein, um die Zelle 14 zu drehen und die Rotorblätter bei langsamen Änderungen einer Wetterfront windabwärts zu halten, statt den Rotorblättern zu gestatten, sich frei um die Gierachse zu bewegen und plötzlichen Verlagerungen der Windrichtung zu folgen. Die Zelle 14 enthält die Nabe für die Rotorblätter, ein Getriebe, eine hydraulische Verstelleinrichtung für die Rotorblätter, einen Synchrongenerator zum Erzeugen von Elektrizität aus der Drehung der Rotorblätter und die notwendigen Zahnradantriebe und Regeleinrichtungen.Fig. 1 shows an example of a wind turbine construction, which consists of two diametrically opposed, identical rotors or Propeller blades 10 consists, which are typically a total of 30.5 m to 91 m in diameter, and on an open Lattice tower 12 is mounted, which ensures a sufficient ground clearance of the leaves and this in one area brings relatively high wind speed. The rotor blades are generally made of aluminum, steel or fiberglass manufactured. The electrical power generation unit and other mechanical parts are contained in a cell 14 and mounted on a support plate, not shown. The rotor blades 10 are at the end of the cell 14, downstream of the tower arranged so that they cannot touch the tower if they hit under shock load. A yaw control (not shown) can be provided to rotate the airframe 14 and the rotor blades downwind in the event of slow changes in a weather front instead of allowing the rotor blades to move freely around the yaw axis and sudden displacements of the To follow wind direction. The cell 14 contains the hub for the rotor blades, a gearbox, and a hydraulic adjustment device for the rotor blades, a synchronous generator for generating electricity from the rotation of the rotor blades and the necessary gear drives and control devices.
Fig. 2 zeigt die Turbinenblätter 10, die an einer Nabe 16 be-Fig. 2 shows the turbine blades 10, which are loaded on a hub 16
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festigt sind, und das elektrische Stromerzeugungssystem sowie das Blattanstellwinkelregelsystem, die in der Zelle 14 von Fig. 1 enthalten sind. Das elektrische Stromerzeugungssystem, das als ein Synchrongenerator 26 dargestellt ist, und der mechanische Teil der Anstellwinkelregeleinrichtung für die Turbinenblätter 10 sind allgemein bekannt und werden deshalb nicht ausführlich beschrieben.are fixed, and the electrical power generation system and the blade pitch control system, which in the cell 14 of Fig. 1 are included. The electrical power generation system, which is shown as a synchronous generator 26, and the mechanical part of the angle of attack control device for the Turbine blades 10 are well known and will therefore not be described in detail.
Eine Welle 18 ist an einem Ende mit der Nabe 16 und an dem anderen Ende mit einem herkömmlichen Getriebe 20 verbunden, das die Drehbewegung der windgetriebenen Turbine in einem Verhältnis übersetzt, das von der Polpaarzahl in dem Synchrongenerator 26 und von der gewünschten Ausgangsfrequenz des Synchrongenerators abhängig ist. In einer typischen Anlage wird eine Windturbinendrehgeschwindigkeit von 40 U/min in dem Getriebe 20 in eine Drehgeschwindigkeit von 1800 U/min umgesetzt, um mit einem Standardsynchrongenerator einen 60 Hz-Wechselstrom zu erzeugen.A shaft 18 is connected at one end to the hub 16 and at the other end to a conventional transmission 20, which translates the rotary motion of the wind-driven turbine in a ratio that depends on the number of pole pairs in the synchronous generator 26 and depends on the desired output frequency of the synchronous generator. In a typical facility a wind turbine rotational speed of 40 rpm is converted in the transmission 20 into a rotational speed of 1800 rpm, to generate a 60 Hz alternating current with a standard synchronous generator.
Die Abtriebswelle 22 des Getriebes 20 ist an ihrem anderen Ende mit dem Synchrongenerator 26 verbunden. Eine herkömmliche Schlupfkupplung kann zwischen die Abtriebswelle 22 und den Synchrongenerator eingefügt sein. Der Synchrongenerator 26 hat typischerweise ein konstantes Magnetfeld und einen Anker, der Wechselstrom in Synchronismus mit der Ankerdrehung und mit einer Frequenz liefert, die das Produkt der Polpaarzahl in dem Synchrongenerator und der Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute ist. Die elektrische Ausgangsleistung des Generators 26 wird über eine Leitung 28, einen Schalter 40 und eine Leitung 34 an eine Belastung (nicht gezeigt) abgegeben. Der Generator 26 kann einen einphasigen oder einen dreiphasigen Ausgang haben. Die Belastung kann eine Speicherbatterie oder ein anderer Energiespeicher sein, in welchem Fall ein Umsetzen in Gleichstrom erforderlich sein kann, oder die Leistung kann direkt an eine entfernte Anlage abgegeben werden, in welchem Fall die Frequenz und die Phase der Ausgangs-The output shaft 22 of the transmission 20 is connected to the synchronous generator 26 at its other end. A conventional one Slip clutch can be inserted between the output shaft 22 and the synchronous generator. The synchronous generator 26 typically has a constant magnetic field and an armature carrying alternating current in synchronism with armature rotation and at a frequency which is the product of the number of pole pairs in the synchronous generator and the rotational speed in Revolutions per minute is. The electrical output power of the generator 26 is via a line 28, a switch 40 and a line 34 delivered to a load (not shown). The generator 26 may be single-phase or single-phase have three-phase output. The load can be a storage battery or some other energy storage device in which If conversion to direct current may be necessary, or the power can be delivered directly to a remote system in which case the frequency and phase of the output
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leistung kritisch sein können. Im typischen Fall wird jedoch die Wechselstromleistung des Generators 26 in ein Netz einer öffentlichen Stromversorgung eingespeist, über die sie mittels Stromübertragungsleitungen zu einem entfernten Ort übertragen wird. In diesem Fall ist die Phasenbeziehung zwischen dem Stromversorgungsnetz und der Generatorausgangsleistung ziemlich kritisch, da die Phasenbeziehung ein Maß der von einem zum anderen übertragenen Leistung ist und eine Phasenfehlanpassung zwischen dem Ausgang des Synchrongenerators 26 und dem Stromübertragungsnetz nicht nur den Wirkungsgrad des Systems verringert, sondern tatsächlich dazu führen kann, daß dem Stromübertragungsnetz Leistung entnommen statt zugeführt wird. Leistungsänderungen können zur überhitzung und Schädigung des Synchrongenerators führen. Deshalb ist mit dem Synchrongenerator 26 eine automatische Frequenz- und Phasensynchronisierschaltung 30 verbunden, deren Aufbau bekannt ist. Die Synchronisierschaltung 30 gewährleistet, daß die Frequenz und die Phase des Synchrongenerators denen der Belastung oder des Netzes angepaßt werden, bevor der Synchrongenerator "on line" - geschaltet wird. Signale, die die Frequenz und die Phase am Synchrongeneratorausgang anzeigen, werden der Synchronisierschaltung 30 über eine Signalleitung 32 zugeführt. Eine Signalleitung 36 liefert außerdem der Synchronisierschaltung 30 die Frequenz und die Phase der Belastung oder des Netzes, die bei geöffnetem Schalter 40 auf einer Leitung 34 erscheinen. Die automatische Synchronisierschaltung 30 vergleicht die Frequenz und die Phase des Synchrongenerators mit denen der Belastung und, wenn Synchronismus vorliegt, wird ein diskretes Signal durch die Synchronisierschaltung 30 über eine Leitung 38 abgegeben, das den Schalter 40 schließt und den Synchrongenerator "on line" - , d.h. direkt zuschaltet. Das diskrete Signal auf der Leitung 38 wird außerdem dem im folgenden beschriebenen Blattanstellwinkelregler 46 zugeführt.performance can be critical. Typically, however, the alternating current power of generator 26 is fed into a network one public power supply, via which they are transmitted to a remote location by means of power transmission lines will. In this case, the phase relationship between the utility grid and the generator output power quite critical as the phase relationship is a measure of the power transmitted from one to the other and is a phase mismatch between the output of the synchronous generator 26 and the power transmission network not only the efficiency of the system reduced, but can actually lead to the power transmission network being drawn instead of supplied will. Changes in performance can lead to overheating and damage to the synchronous generator. That is why with the synchronous generator 26 is connected to an automatic frequency and phase synchronizing circuit 30, the structure of which is known. The synchronization circuit 30 ensures that the frequency and phase of the synchronous generator match those of the load or of the network must be adapted before the synchronous generator is switched "on line". Signals that the frequency and the Display phase at the synchronous generator output are fed to the synchronization circuit 30 via a signal line 32. A signal line 36 also provides the synchronization circuit 30 with the frequency and phase of the load or of the network, which appear on a line 34 when the switch 40 is open. The automatic synchronization circuit 30 compares the frequency and phase of the synchronous generator with those of the load and, if synchronism is present, a discrete signal is emitted by the synchronization circuit 30 via a line 38, which the switch 40 closes and connects the synchronous generator "on line" - i.e. directly. The discrete signal on line 38 is also supplied to the blade pitch controller 46 described below.
Wenn der Synchrongenerator 26 mit der gewünschten Frequenz arbeitet, aber nicht mit der Belastung in Phase ist, wird vonWhen the synchronous generator 26 is operating at the desired frequency but is not in phase with the load, from
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der Synchronisierschaltung 30 ein Signal über eine Signalleitung 42 an den Blattanstellwinkelregler 46 abgegeben, der die Rotordrehzahl und damit die Frequenz und die Phase am Ausgang des Synchrongenerators verstellt, um die im folgenden in Verbindung mit Fig. 6 beschriebene Synchronisierung vorzunehmen.the synchronization circuit 30 emits a signal via a signal line 42 to the blade pitch controller 46, which adjusts the rotor speed and thus the frequency and the phase at the output of the synchronous generator to the following synchronization described in connection with FIG.
Da die Ausgangsfrequenz des Synchrongenerators durch die Drehgeschwindigkeit der Windturbine gesteuert wird, erfordert das Aufrechterhalten einer vorbestimmten elektrischen Ausgangsfrequenz, die beispielsweise 60 Hz betragen kann, eine präzise Regelung der Windturbinendrehgeschwindigkeit. Die praktischste Art und Weise des Regeins der Windturbinendrehgeschwindigkeit und damit der Generatordrehzahl und -ausgangsfrequenz besteht darin, den Anstellwinkel des Rotorblattes zu verändern, um die Windturbine daran zu hindern, bei zunehmender Windgeschwindigkeit zu beschleunigen oder bei abnehmender Windgeschwindigkeit langsamer zu werden. Um Drehzahlschwankungen zu verhindern, die mit unvorhersagbaren Windböen auftreten, muß die Regelung für die Blattwinkelverstellvorrichtung sehr ansprechempfindlich sein.Since the output frequency of the synchronous generator by the Rotational speed of the wind turbine is controlled, requires maintaining a predetermined electrical Output frequency, which can be for example 60 Hz, a precise regulation of the wind turbine speed of rotation. The most practical way of regulating the wind turbine speed and thus the generator speed and -output frequency consists in changing the angle of attack of the rotor blade in order to prevent the wind turbine from accelerate with increasing wind speed or slow down with decreasing wind speed. In order to prevent speed fluctuations that occur with unpredictable gusts of wind, the control for the Blade angle adjustment device be very responsive.
Gemäß der Erfindung ist, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Anstellwinkelstellantrieb 44 vorgesehen, der bekannte hydraulische Stellantriebe und Verbindungen ähnlich denjenigen, wie sie bei Flugzeugpropellern benutzt werden, enthält, aber in einem größeren Maßstab. Ein Steuerventil in dem Hydraulikteil des Anstellwinkelstellantriebs 44 spricht auf ein elektrisches Signal aus dem Blattanstellwinkelregler 46 an, das über eine Leitung 48 übertragen wird. Das bevorzugte Steuerventil in dem Anstellwinkelstellantrieb 44 ist eine zweistufige Hydraulikeinheit mit einer hohen Stellgeschwindigkeit, die die Anstellwinkelsteuervorrichtung über herkömmliche Verbindungen und Hebel bewegt. Das Signal auf der Leitung 48According to the invention, as shown in FIG. 2, there is an angle of attack actuator 44 provided the known hydraulic actuators and connections similar to those of them used in aircraft propellers, but on a larger scale. A control valve in the hydraulic part of the Angle of attack actuator 44 responds to an electrical signal from the blade angle of attack controller 46, which via a Line 48 is transmitted. The preferred control valve in the pitch actuator 44 is a two stage Hydraulic unit with a high adjustment speed that controls the angle of attack via conventional connections and lever moves. The signal on line 48
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ist zu dem Blattwinkelfehler ß„ proportional, das die Differenz zwischen dem Soll- oder Referenzblattanstellwinkel βΏ, der durch den Blattanstellwinkelregler 46 (Fig. 3) nach einem Plan festgelegt wird, und dem Istblattanstellwinkel ßÄ darstellt. Der Istblattanstellwinkel ßÄ wird durch einen Meßwandler 50 gemessen, der in dem Anstellwinkelstellantrieb 44 angeordnet ist, und ein den Istblattanstellwinkel darstellendes elektrisches Signal wird über eine Signalleitung 52 an den Blattanstellwinkelregler 46 abgegeben.is proportional to the blade angle error ß ", which is the difference between the target or reference blade angle of attack β Ώ, which is determined by the blade angle controller 46 (FIG. 3) according to a plan, and the actual blade angle of attack ß Ä . The Istblattanstellwinkel ß Ä is measured by a transducer 50 which is disposed in the Anstellwinkelstellantrieb 44, and an electrical signal representing the Istblattanstellwinkel is delivered to the Blattanstellwinkelregler 46 via a signal line 52nd
Der Blattanstellwinkelregler 46 wird benutzt, um den Anstellwinkel der Blätter so zu beeinflussen, daß mechanische Beanspruchungen während des Anlaufs und des Abschaltens und während Windböen minimiert werden. Er wird außerdem als Teil eines geschlossenen Regelkreises benutzt, um die Windturbinenrotordrehzahl und somit die elektrische Ausgangsfrequenz in einer Regelbetriebsart oder die Generatorausgangsleistung oder das Wellendrehmoment in einer anderen Regelbetriebsart, je nach Art der Belastung, zu regeln. Wenn beispielsweise die Windturbine und der Generator als eine isolierte Generatorstation benutzt werden, ist die Windturbinenrotordrehzahlregelung im allgemeinen ausreichend. Wenn jedoch der Generator auf ein Netz geschaltet wird, ist eine Wellendrehmoment- oder Generatorleistungsregelung erforderlich. In jedem Fall muß das Regelsystem auf Windturbulenz ansprechen, um eine angemessen konstante Generatorausgangsleistung aufrechtzuerhalten. Der Blattanstellwinkelregler 46 legt den Sollblattanstellwinkel ß unter Berücksichtigung von ausgewählten Betriebszuständen und Referenzsignalen nach einem Plan fest und sorgt für eine schnelle Verstellung des Blattanstellwinkels aus einer vollen Fahnenstellung von +90° in eine Volleistungsstellung von 0°. Da die Rotorblätter nicht eben sind sondern eine gewisse Verdrehung haben, wird der Anstellwinkel in Grad auf die Steigung des Blattes in 3/4 des äußeren Abstandes längs des Blattes von der Nabe bezogen. The blade pitch regulator 46 is used to adjust the pitch angle to influence the blades so that mechanical stresses during start-up and shutdown and while gusts of wind are minimized. It is also used as part of a closed loop to control the wind turbine rotor speed and thus the electrical output frequency in a control mode or the generator output power or to control the shaft torque in another control mode, depending on the type of load. if For example, the wind turbine and the generator are used as an isolated generator station is the wind turbine rotor speed control generally sufficient. However, when the generator is switched to a network, it is a Shaft torque or generator power control required. In any case, the control system must be based on wind turbulence respond to maintain a reasonably constant generator output. The blade pitch regulator 46 adds the target blade pitch angle β, taking into account selected operating states and reference signals a plan and ensures a quick adjustment of the blade angle from a full feathering position of + 90 ° to a full power position of 0 °. Since the rotor blades are not flat but have a certain twist, will the angle of attack in degrees related to the pitch of the blade at 3/4 of the outer distance along the blade from the hub.
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Zum Versorgen des Blattanstellwinkelreglers 46 mit den notwendigen Daten kann die Drehgeschwindigkeit des Windturbinenrotors durch einen mit der Nabe 16 verbundenen Meßwandler 54 abgefühlt werden, bei dem es sich beispielsweise um ein Zahnrad handelt, dem ein magnetischer Aufnehmer zugeordnet ist, welcher über eine Leitung 56 ein zu der Rotordrehzahl N0 proportionales elektrisches Signal liefert. Eine ähnliche Art von Meßwandler 58 kann mit der Welle in dem Synchrongenerator 26 verbunden sein, um ein elektrisches Signal über eine Leitung 60 zu liefern, das zu der Drehzahl NQ des Synchrongenerators proportional ist. Ein Meßwandler 62, beispielsweise ein Dehnungsmeßstreifen oder mehrere Dehnungsmeßstreifen mit unterschiedlichen Ausrichtungen, kann mit einer Welle in dem Getriebe 20 oder mit der Welle 18 oder 22 verbunden sein, um das Wellendrehmoment Q abzufühlen und dem Blattanstellwinkelregler 46 ein dazu proportionales Signal über eine Leitung 64 zuzuführen. Die Ausgangsleistung (oder der Ausgangsstrom) P-, des Synchrongenerators 26 kann gemessen und dem Blattanstellwinkelregler 46 über eine Signalleitung 66 zugeführt werden, die mit der Ausgangsleitung 28 des Synchrongenerators verbunden ist. Weitere Signalgeber, Verstärker und/oder Dämpfer können erforderlich sein, sind aber der Einfachheit halber nicht dargestellt worden.To supply the blade pitch controller 46 with the necessary data, the rotational speed of the wind turbine rotor can be sensed by a transducer 54 connected to the hub 16, which is, for example, a gear to which a magnetic pick-up is assigned, which is connected via a line 56 supplies an electrical signal proportional to the rotor speed N 0. A similar type of transducer 58 may be connected to the shaft in synchronous generator 26 to provide an electrical signal over line 60 proportional to the speed N Q of the synchronous generator. A transducer 62, for example a strain gauge or several strain gauges with different orientations, can be connected to a shaft in the transmission 20 or to the shaft 18 or 22 in order to sense the shaft torque Q and to supply a signal proportional thereto to the blade pitch controller 46 via a line 64 . The output power (or the output current) P-, of the synchronous generator 26 can be measured and fed to the blade pitch controller 46 via a signal line 66 which is connected to the output line 28 of the synchronous generator. Further signal transmitters, amplifiers and / or attenuators may be required, but have not been shown for the sake of simplicity.
Weiter sind mit dem Blattanstellwinkelregler 46 mehrere Quellen für feste oder variable Referenzsignale verbunden, bei welchen es sich um einfache Spannungspegel im Analogformat oder um ein Digitalwort im Digitalformat handeln kann. Ein Rotordrehzahlreferenzsignal N_. REF wird in einem Block 69 erzeugt und dem Regler 46 über eine Leitung 70 zugeführt. Ein Drehmomentreferenzsignal Q REF wird in einem Block 67 erzeugt und dem Regler 46 über eine Leitung 68 zugeführt. Ein mit ANR REF bezeichnetes Referenzsignal, das zur Überdrehzahlkontrolle benutzt wird, wird in einem Block 71 erzeugt und dem Regler 46 über eine Signalleitung 72 zugeführt. Ein mit FAHNENSTELLUNG bezeichnetes Signal, das benutzt wird,A plurality of sources for fixed or variable reference signals, which can be simple voltage levels in analog format or a digital word in digital format, are also connected to the blade pitch regulator 46. A rotor speed reference signal N_. REF is generated in a block 69 and fed to the controller 46 via a line 70. A torque reference signal Q REF is generated in a block 67 and fed to the controller 46 via a line 68. A reference signal denoted by AN R REF, which is used for overspeed control, is generated in a block 71 and fed to the controller 46 via a signal line 72. A signal labeled FLAG POSITION that is used
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um das Windturbinenrotorblatt in Fahnenstellung zu bringen, wird in einem Block 73 erzeugt und dem Regler 46 über eine Signalleitung 74 und einen Schalter 76 zugeführt.to bring the wind turbine rotor blade into the feathered position, is generated in a block 73 and fed to the controller 46 via a signal line 74 and a switch 76.
Die Windgeschwindigkeit wird durch einen Windgeschwindigkeitsfühler 78 abgefühlt, der vorzugsweise an der Zelle 14 von Fig. 1 oder an irgendeinem anderen Ort, wo er nicht durch die Drehung der Windturbine beeinflußt wird, angebracht ist. Der Windgeschwindigkeitsfühler 78 mißt die Istwindgeschwindigkeit und gibt ein diese anzeigendes Signal über eine Signalleitung 80 an eine Mittelwertbildungsschaltung 82 ab, bei der es sich um einen elektronischen Integrator oder um eine Digital- oder Mikroelektronikeinheit handelt, welche eine statistische Verarbeitung vornimmt und die mittlere Windgeschwindigkeit über einer vorgewählten Zeitspanne bestimmt. Das die mittlere Windgeschwindigkeit darstellende Ausgangssignal VWA der Mittelwertbildungsschaltung 82 wird an den Regler 46 über eine Signalleitung 84 abgegeben.The wind speed is sensed by a wind speed sensor 78 which is preferably attached to the cell 14 of Figure 1 or some other location where it is not affected by the rotation of the wind turbine. The wind speed sensor 78 measures the actual wind speed and outputs a signal indicating this via a signal line 80 to an averaging circuit 82, which is an electronic integrator or a digital or microelectronic unit, which carries out statistical processing and the mean wind speed over a selected period of time. The output signal V WA of the averaging circuit 82, which represents the mean wind speed, is output to the controller 46 via a signal line 84.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird angenommen, daß der Synchrongenerator 26 beginnt, nutzbare Leistung bei einer Windgeschwindigkeit von 8 Meilen/h zu erzeugen, und seine Nennausgangsleistung von beispielsweise 100 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 18 Meilen/h liefert. Es wird weiter angenommen, daß die Nennrotordrehzahl 40 ü/min beträgt, bei der durch den Generator 26 ein Ausgangswechselstrom mit einer Frequenz von 60 Hz erzeugt wird.For the purposes of the present description of an exemplary embodiment According to the invention, it is assumed that the synchronous generator 26 begins to generate usable power at wind speed of 8 mph, and its rated output of, for example, 100 kW at wind speed delivers at 18 mph. It is further assumed that the nominal rotor speed is 40 rpm at which is generated by the generator 26 an output alternating current with a frequency of 60 Hz.
Die Einzelheiten einer bevorzugten Implementierung des Blattanstellwinkelreglers 46 von Fig. 2 sind in Form eines Blockdiagramms in Fig. 3 gezeigt. Der Regler 46 besteht aus einem Beschleunigungsregelplan (-sollwertgeber oder -schedule) 86, einem Rotordrehzahlregelplan 88, einem Windvorwegnahmeregelplan 90, einem Drehmomentregelplan 92 und einem Verzögerungsregelplan 94. Der Betrieb der Windturbine kann in vier Betriebsarten unterteilt werden,The details of a preferred implementation of the blade pitch regulator 46 of FIG. 2 are shown in block diagram form in FIG. The regulator 46 consists of one Acceleration control plan (setpoint generator or schedule) 86, a rotor speed control plan 88, a wind anticipation control plan 90, a torque control plan 92 and a delay control plan 94. The operation of the Wind turbine can be divided into four modes of operation,
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nämlich Anlauf, Rotordrehzahlregelung, Drehmomentregelung (oder Leistungsregelung), wenn die Windturbine an ein öffentliches Stromversorgungsnetz angeschlossen ist, und Fahnenstellung oder Abschaltung. Der Regler 46 nimmt eine rückführungslose planmäßige Steuerung des Rotorblattanstellwinkels während des Anlaufens und Abschaltens und eine Regelung des Rotorblattanstellwinkels in einem geschlossenen Regelkreis (d.h. mit Rückführung) für die Drehzahl- und Drehmoment(oder Leistungs-)-Regelung vor. Darüber hinaus werden die Verstärkungen in dem Rotordrehzahlregelplan 88 und dem Drehmomentregelplan 92 unter Berücksichtigung der Windgeschwindigkeit durch einen Verstärkungsplan 95 über eine Signalleitung 97 verändert.namely start-up, rotor speed control, torque control (or power control) when the wind turbine is connected to a public Power grid is connected, and flagging or shutdown. The controller 46 takes a no-feedback loop Scheduled control of the rotor blade angle of attack during start-up and shutdown and regulation the rotor blade pitch angle in a closed control loop (i.e. with feedback) for the speed and torque (or power) control. Furthermore the gains in the rotor speed control plan 88 and the torque control plan 92 are taken into account the wind speed is changed by a reinforcement plan 95 via a signal line 97.
Jeder der fünf Pläne (Sollwertgeber oder Schedules) 86, 88, 90, 92 und 94 liefert ein Ausgangssignal, das einen Sollblattanstellwinkel für die besonderen Betriebszustände der Windturbine darstellt und als Blattwinkelreferenzsignal bezeichnet wird. Das Ausgangssignal des Beschleunigungsregelplans 86, d.h. ein Beschleunigungsblattwinkelreferenzsignal ßc erscheint auf einer Signalleitung 96 und wird einer Größtwertwählschaltung 98 als ein Eingangssignal zugeführt. Das Ausgangssignal des Rotordrehzahlregelplans 88, d.h. ein Rotordrehzahlregelungsblattwinkelreferenzsignal ß erscheint auf einer Signalleitung 100 und wird einem Summierpunkt 102 zugeführt. Das Ausgangssignal des Windvorwegnahmeregelplans 90, d.h. ein Windvorwegnahmeblattwinkelreferenzsignal ßANql erscheint auf einer Signalleitung 104 und wird ebenfalls dem Summierpunkt 102 zugeführt, wo es zu dem Rotordrehzahlregelungsblattwinkelreferenzsignal ß addiert wird. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 102 auf einer Signalleitung 106 ist daher die Summe aus dem Rotordrehzahlregelungsblattwinkelreferenzsignal ßN und dem Windvorwegnahmeblattwinkelreferenzsignal ßANT* Das si9nal auf der Leitung 106 wird ebenfalls der Größtwertwählschaltung 98 als ein Eingangssignal zugeführt.Each of the five plans (setpoint generators or schedules) 86, 88, 90, 92 and 94 provides an output signal which represents a setpoint blade pitch angle for the particular operating conditions of the wind turbine and is referred to as a blade angle reference signal. The output signal of the acceleration control plan 86, that is to say an acceleration blade angle reference signal β c, appears on a signal line 96 and is fed to a maximum value selection circuit 98 as an input signal. The output signal of the rotor speed control plan 88, ie a rotor speed control blade angle reference signal β appears on a signal line 100 and is fed to a summing point 102. The output signal of the wind anticipation control plan 90, ie a wind anticipation blade angle reference signal β ANql appears on a signal line 104 and is also fed to the summing point 102, where it is added to the rotor speed regulation blade angle reference signal β. The output signal of the summing point 102 on a signal line 106 is therefore the sum of the rotor speed control blade angle reference signal ß N and the wind anticipation blade angle reference signal ß ANT * The signal on the line 106 is also fed to the maximum value selection circuit 98 as an input signal.
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Das Ausgangssignal des Drehmomentregelplans 92, d.h. ein Drehmomentregelungsblattwinkelreferenzsignal ßQ erscheint auf einer Leitung 108 und wird einem Summierpunkt 110 zugeführt, wo es ebenfalls zu dem Windvorwegnahmeblattwinkelreferenzsignal ßA^T auf der Leitung 104 addiert wird. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 110 wird über eine Leitung 112 als drittes Eingangssignal an die Größtwertwählschaltung 98 abgegeben.The output signal of the torque control plan 92, ie a torque control blade angle reference signal β Q appears on a line 108 and is fed to a summing point 110, where it is also added to the wind anticipation blade angle reference signal β A → T on the line 104. The output signal of the summing point 110 is output via a line 112 as a third input signal to the maximum value selection circuit 98.
Die Größtwertwählschaltung 98 wählt das eine Signal auf den Leitungen 96, 106 oder 112, das den größten Blattwinkel verlangt, d.h. dasjenige Signal, das den Blattwinkel planmäßig der Fahnenstellung oder 90° am nächsten festlegt, aus und läßt dieses Signal durch. Während des Anlaufs der Windturbine wird das ausgewählte Signal normalerweise das Beschleunigungsblattwinkelreferenzsignal ß_ auf der Leitung 96 sein und, wenn die Rotordrehzahl zunimmt und sich der Nenndrehzahl nähert, wird das ausgewählte Signal normalerweise entweder das Signal auf der Leitung 106 oder das Signal auf der Leitung 112 sein, je nachdem, ob der Synchrongenerator zugeschaltet ist oder nicht.The maximum value selection circuit 98 selects the one signal on lines 96, 106 or 112 which requires the greatest blade angle, i.e. the signal that specifies the blade angle as planned to the vane position or 90 ° as close as possible, off and lets this signal through. During start-up of the wind turbine, the selected signal normally becomes the acceleration blade angle reference signal ß_ be on line 96 and when the rotor speed increases and the nominal speed approaches, the selected signal will normally be either the signal on line 106 or the signal on line 106 Line 112, depending on whether the synchronous generator is switched on is or not.
Das Ausgangssignal der Größtwertwählschaltung 98 auf einer Leitung 114 wird einem Summierpunkt 116 als Eingangssignal zugeführt. Außerdem wird dem Summierpunkt 116 als ein Eingangssignal das FAHNENSTELLUNG-Referenzsignal auf der Leitung 74 zugeführt. Wenn jedoch der Schalter 76 in der Leitung 74 offen ist, erscheint kein Signal auf der Leitung 74 und das Ausgangssignal des Summierpunktes auf einer Leitung 118 ist mit dem auf der Leitung 114, d.h. mit dem Ausgangssignal der Größtwertwählschaltung 98 identisch.The output of the maximum value selection circuit 98 on line 114 is input to a summing point 116 fed. It also provides summing point 116 as an input the FLAG POSITION reference signal on the line 74 supplied. However, when switch 76 on line 74 is open, no signal appears on line 74 and that The output of the summing point on line 118 is identical to that on line 114, i.e., the output of the Maximum value selection circuit 98 identical.
Das Ausgangssignal des Verzögerungsregelplans 94, d.h. ein Verzögerungsblattwinkelreferenzsignal ß erscheint auf einer Signalleitung 120 und wird als das andere Eingangssignal zusammen mit dem Signal auf der Leitung 118 einer Kleinstwertwählschaltung 122 zugeführt. Die KleinstwertwählschaltungThe output of the delay control scheme 94, i.e., a delay blade angle reference signal β appears on a Signal line 120 and is used as the other input signal along with the signal on line 118 of a minimum value selection circuit 122 supplied. The minimum value selection circuit
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wählt das Signal auf den Leitungen 118 oder 120 aus und läßt dieses Signal durch, das den niedrigsten Blattwinkel verlangt, d.h. diejenige Blattstellung, die sich der Volleistung oder 0° am nächsten befindet. Während des normalen Betriebes ist das durch die Kleinstwertwählschaltung ausgewählte Signal dasjenige auf der Leitung 118. Wenn jedoch die Windturbine schnell abgeschaltet werden soll, wird der Fahnenstellung-Schalter 76 geschlossen und das FAHNENSTELLUNG-Referenzsignal erscheint auf der Leitung 74. Dieses Signal verlangt einen sehr großen Blattwinkel. Zu dieser Zeit legt das Signal auf der Leitung 120, d.h. das Beschleunigungsblattwinkelreferenzsignal ß einen niedrigeren Blattwinkel fest und ist dasjenige Signal, das durch die Kleinstwertwählschaltung ausgewählt wird. Die Auswahl des Signals ß gestattet, die Geschwindigkeit, mit der der Blattwinkel in Fahnenstellunq gebracht wird, zu begrenzen, um die Beanspruchungen den Blättern beim Verzögern zu minimieren und das durch den Rotor erzeugte negative Drehmoment zu begrenzen.selects the signal on lines 118 or 120 and leaves this signal, which requires the lowest blade angle, i.e. the blade position that is at full power or closest to 0 °. During normal operation, the signal selected by the minimum value selection circuit is the one on line 118. However, if the wind turbine is to be shut down quickly, the flag position switch is activated 76 closed and the FLAG POSITION reference signal appears on line 74. This signal is requested a very large blade angle. At this time, asserts the signal on line 120, i.e., the acceleration blade angle reference signal ß has a lower blade angle and is the signal that is generated by the smallest value selection circuit is selected. The selection of the signal ß allows the speed with which the blade angle in Fahnenstellunq in order to minimize the stresses on the blades during deceleration and that generated by the rotor limit negative torque.
Das Ausgangssignal der Kleinstwertwählschaltung auf einer Leitung 124 wird als das resultierende Blattwinkelreferenzsignal ßo bezeichnet und einem Summierpunkt 126 zugeführt und mit dem Istblattanstellwinkelsignal ß- auf der Leitung 52 verglichen, um das Blattwinkelfehlersignal ß„ auf der Leitung 48 zu erzeugen. Das letztgenannte Signal wird dem Anstellwinkelstellantrieb 44 von Fig. 2 zugeführt.The output signal of the smallest value selection circuit on line 124 is referred to as the resulting blade angle reference signal β o and fed to a summing point 126 and compared with the actual blade pitch signal β- on line 52 to generate the blade angle error signal β "on line 48. The latter signal is fed to the angle of attack actuator 44 of FIG.
Das resultierende Blattwinkelreferenzsignal ßD auf der Leiis. The resulting blade angle reference signal ß D on the Leiis.
tung 124 wird außerdem zum Integratornachführen in dem Rotordrehzahlregelplan 88 und in dem Drehmomentregelplan 92 benutzt und beiden Plänen über eine Signalleitung 128 zugeführt. Device 124 is also used to track the integrator in the rotor speed control plan 88 and used in the torque control plan 92 and fed to both plans via a signal line 128.
Die Regelpläne 86, 88, 90, 92 und 94 werden unter Bezugnahme auf die Fig. 4-8 jeweils ausführlich beschrieben.The rule schedules 86, 88, 90, 92 and 94 are referenced 4-8 each described in detail.
Zum Starten der Windturbine wird der Fahnenstellung-SchalterThe flag position switch is used to start the wind turbine
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76 geöffnet, wodurch das FAHNENSTELLUNG-Referenzsignal auf
der Leitung 74 abgeschaltet wird. Das Signal ßg, das auf
der Leitung 96 durch den Beschleunigungsregelplan 86 erzeugt wird, ist das zu dieser Zeit ausgewählte Signal und es
bewirkt, daß der Anstellwinkel des Rotorblattes 10 aus einer Fahnenstellung von +90°, in welcher kein Auftrieb und
deshalb kein Drehmoment erzeugt wird, herausbewegt und zu
der Volleistungsstellung von 0° bewegt wird. Wenn die Drehzahl des Rotors zunimmt, nimmt das von dem Rotor gelieferte
Drehmoment bei gewissen Zuständen des Blattanstellwinkels
und der Rotordrehzahl zu. Es gibt einige Zustände der Rotordrehzahl und des Rotorblattanstellwinkels, in denen ein negatives
Drehmoment oder eine Verzögerung auftritt. Infolgedessen ist die Geschwindigkeit der Blattanstellwinkeländerung
während des Anlaufs nicht beliebig, sondern muß in Übereinstimmung
mit den besonderen Kenndaten der Windturbine planmäßig festgelegt werden. Wenn der Blattanstellwinkel zu
schnell aus der Fahnenstellung heraus geändert wird, kann
die Strömung am Rotorblatt abreißen. Infolgedessen ist eine kontrollierte oder planmäßig festgelegte Blattanstellwinkeländerung
erforderlich. Das Verändern des Anstellwinkels mit einer festen Geschwindigkeit aus der Blattfahnenstellung
heraus, bis der Windturbinenrotor seine Nenndrehzahl erreicht, ist eine Alternative, die sich als nützlich erwiesen hat, solange
die Anstellgeschwindigkeit schnell verändert wird, um das Rotorblatt daran zu hindern, bei Drehzahlen zu verweilen,
die Systemresonanzen anregen. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die Anlaufzeit der Windturbine ab. Ein
Rotor mit größerer Trägheit braucht zum Beschleunigen
mehr Zeit. Die Beschleunigung des Blattes nimmt mit der Drehgeschwindigkeit schnell zu.76 opened, causing the FLAG POSITION reference signal to open
the line 74 is switched off. The signal ß g that on
the line 96 is generated by the acceleration control plan 86 is the signal selected at this time and it causes the angle of attack of the rotor blade 10 from a feathered position of + 90 °, in which no lift and
therefore no torque is generated, moved out and closed
the full power position is moved from 0 °. As the speed of the rotor increases, the torque delivered by the rotor decreases under certain conditions of the blade pitch
and the rotor speed. There are some rotor speed and blade pitch conditions where negative torque or deceleration occurs. As a result, the speed of the change in the blade pitch angle during start-up is not arbitrary, but rather has to be planned in accordance with the particular characteristics of the wind turbine. When the blade angle increases
can be changed quickly from the flag position
tear off the flow at the rotor blade. As a result, a controlled or scheduled change in the pitch angle is required. Changing the angle of attack at a fixed speed from the vane position
until the wind turbine rotor reaches its rated speed is an alternative that has been found useful as long as the pitch rate is changed quickly to keep the rotor blade from dwell at speeds that excite system resonances. The start-up time of the wind turbine decreases with increasing wind speed. A
Rotor with greater inertia needs to accelerate
more time. The acceleration of the blade increases rapidly with the speed of rotation.
Es ist zwar eine ausreichende Leistung während der Beschleunigung der Windturbine dadurch erzielbar, daß die Änderung des Rotorblattanstellwinkels von der Fahnenstellung bis zur vollen Leistung mit einer festen Geschwindigkeit erfolgt, eine beträchtlich bessere Leistung, die eine schnellere Beschleu-Admittedly, sufficient power can be achieved during the acceleration of the wind turbine in that the change of the rotor blade angle of attack from the vane position to full power takes place at a fixed speed, one considerably better performance, which means faster acceleration
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nigung und eine geringere Beanspruchung bei allen Windgeschwindigkeiten ergibt, kann jedoch erzielt werden, indem der Blattanstellwinkel als Funktion der mittleren Windgeschwindigkeit V„, und der Rotordrehzahl N planmäßig festgelegt wird. Fig. 4 zeigt in Form eines Diagramms einen bivarianten Beschleunigungsregelplan, in welchem der optimale Beschleunigungsblattwinkel über der Windgeschwindigkeit für verschiedene Rotordrehzahlen aufgetragen ist. Der Mindestanlaufblattwinkel ist somit als eine Funktion der mittleren Windgeschwindigkeit V und der Rotordrehzahl NR festgelegt. Der Plan von Fig. 4 ist in dem Beschleunigungsregelplan 86 von Fig. 3 implementiert, in welchem die beiden Eingangssignale VTTA und N auf den Signalleitungen 84 bzw. 56 erscheinen und das Ausgangssignal auf der Leitung 96 das Beschleunigungsblattwinkelreferenzsignal ßo ist, welches entsprechend dem Plan von Fig. 4 festgelegt ist. Die Implementierung erfolgt am einfachsten digital über einen Festwertspeicher, es können aber auch Analogschaltungen benutzt werden. Gemäß Fig. 4 ist für den Start oder 0 ü/min ein Blattwinkel von +70° oder darüber festgelegt, je nach Windgeschwindigkeit. Wenn die Rotordrehzahl zunimmt und dem Synchrongenerator ein Drehmoment geliefert wird, wird der Blattanstellwinkel allmählich auf 0° verringert, bis der Windturbinenrotor seine Nenndrehzahl erreicht. Die in Fig. 4 gezeigten Kurven beinhalten Mindestblattwinkelgrenzen, die den Windturbinenrotor daran hindern, Beschleunigungsmomente zu erzeugen, welche größer als ungefähr 200% (oder irgendein anderer gewünschter Grenzwert) des normalen Nennmoments sind, so daß die Blattbeanspruchungen und das über die Anordnung aus Rotorwelle und Getriebe übertragene Drehmoment minimiert werden. Während des Anlaufes der Windturbine wird somit der Rotorblattanstellwinkel ausschließlich durch den Beschleunigungsregelplan 86 festgelegt. inclination and less stress at all wind speeds can be achieved by setting the blade pitch angle as a function of the mean wind speed V 1 and the rotor speed N according to plan. 4 shows, in the form of a diagram, a bivariate acceleration control plan in which the optimal acceleration blade angle is plotted against the wind speed for various rotor speeds. The minimum starting blade angle is thus determined as a function of the mean wind speed V and the rotor speed N R. The plan of Fig. 4 is 3 implemented in the acceleration control scheme 86 of FIG., In which the two input signals V TTA and N on the signal lines 84 and 56 appear, and the output signal SS on line 96, the acceleration blade angle reference signal o is that corresponding to the Plan of Fig. 4 is set. The simplest implementation is digital via a read-only memory, but analog circuits can also be used. According to FIG. 4, a blade angle of + 70 ° or more is set for the start or 0 o / min, depending on the wind speed. As the rotor speed increases and torque is supplied to the synchronous generator, the blade pitch angle is gradually reduced to 0 ° until the wind turbine rotor reaches its rated speed. The curves shown in Fig. 4 include minimum blade angle limits that prevent the wind turbine rotor from generating acceleration torques that are greater than approximately 200% (or any other desired limit) of the normal rated torque, so that the blade stresses and that via the arrangement of rotor shaft and Gear transmitted torque can be minimized. During the start-up of the wind turbine, the rotor blade angle of attack is thus determined exclusively by the acceleration control plan 86.
In den Figuren ist es zwar nicht gezeigt, das Rotordrehzahlein-Although it is not shown in the figures, the rotor speed
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gangssignal Nn des Beschleunigungsregelplans 86 von Fig. 3output signal N n of the acceleration control plan 86 of FIG. 3
rs.rs.
kann jedoch mit nur geringen Systemänderungen durch das Generatordrehzahlsignal Nr ersetzt werden, da es ein direktes Verhältnis zwischen der Rotordrehzahl und der Generatordrehzahl über das Getriebe 20 gibt. Die Gesamtform der Kurven von Fig. 4 wird sich nicht ändern.can, however, be replaced by the generator speed signal N r with only minor system changes, since there is a direct relationship between the rotor speed and the generator speed via the transmission 20. The overall shape of the curves of Figure 4 will not change.
Wenn die Windturbinendrehzahl entsprechend dem Beschleunigungsregelplan 86 zunimmt, nähert sich die Rotordrehzahl dem in dem Rotordrehzahlregelplan 88 durch das Signal NR REF auf der Leitung 70 festgelegten Wert. Während des Anlaufs wird die Istrotordrehzahl N7, auf der Leitung 56 immer kleiner als die Sollrotordrehzahl NR REF sein und das Ausgangssignal ßN des Rotordrehzahlregelplans auf der Leitung 100 wird einen niedrigen Blattwinkel verlangen, d.h., wenn eine Unterdrehzahl abgefühlt wird, wird der Rotordrehzahlregelplan 88 einen niedrigen Blattwinkel festlegen, um zu versuchen, die Drehzahl zu erhöhen und den Rotor sowie den Synchrongenerator auf die Solldrehzahl zu bringen. Die Größtwertwählschaltung 98 wird zu dieser Zeit das Signal auf der Leitung 106 nicht durchlassen, da ein größerer Blattwinkel durch das Signal ßg auf der Leitung 96 verlangt wird. Wenn die Rotordrehzahl ND zunimmt und sich dem durch das Signal Nn REF gewählten Wert nähert, verlangt das Signal ßN einen größeren Blattwinkel, während das Signal ßg einen kleineren Blattwinkel verlangt, und es wird ein Punkt erreicht, an dem die Regelung des Blattwinkels durch den Rotordrehzahlregelplan 88 übernommen wird.When the wind turbine speed increases in accordance with the acceleration control plan 86, the rotor speed approaches the value established in the rotor speed control plan 88 by the signal N R REF on the line 70. During start-up, the Istrotor speed N 7 on the line 56 will always be less than the target rotor speed N R REF and the output signal ß N of the rotor speed control plan on the line 100 will require a low blade angle, that is, if an underspeed is sensed, the rotor speed control plan is 88 set a low blade angle in order to try to increase the speed and bring the rotor and the synchronous generator to the target speed. The maximum value selection circuit 98 will not let the signal on the line 106 through at this time, since a larger blade angle is required by the signal β g on the line 96. When the rotor speed N D increases and approaches the value selected by the signal N n REF, the signal β N requires a larger blade angle, while the signal β g requires a smaller blade angle, and a point is reached at which the control of the Blade angle is taken over by the rotor speed control plan 88.
Gemäß Fig. 3 empfängt der Rotordrehzahlregelplan 88 als Eingangssignale die Sollrotordrehzahl N7. REF auf der Leitung 70,According to FIG. 3, the rotor speed control plan 88 receives the setpoint rotor speed N 7 as input signals. REF on line 70,
die Istrotordrehzahl N auf der Leitung 56 und das Spitzendrehzahlreferenzsignal ÄN_ REF auf der Leitung 72. Signale werden dem Rotordrehzahlregelplan 88 außerdem von der automatischen Synchronisierschaltung 30 (Fig. 2) über Leitungen 38 und 42 geliefert. Die Rückkoppelung des Blattwinkelreferenzsignals ßR erfolgt über die Leitung 128 und Verstärkungen für den Regelplan 88 werden über die Leitung 97 geliefert.the rotor speed N on line 56 and the peak speed reference signal AN_REF on line 72. Signals are also provided to the rotor speed control schedule 88 from the automatic synchronizing circuit 30 (FIG. 2) via lines 38 and 42. The blade angle reference signal β R is fed back via the line 128 and amplifications for the control plan 88 are supplied via the line 97.
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Grundsätzlich vergleicht der Rotordrehzahlregelplan 88 die Istrotordrehzahl N_ mit der Sollrotordrehzahl Nn REF undIn principle, the rotor speed control plan 88 compares the actual rotor speed N_ with the target rotor speed N n REF and
κ κκ κ
erzeugt ein Rotordrehzahlfehlersignal, anhand dessen durch P-, I- und D-Regler der Blattanstellwinkel ßN planmäßig festgelegt wird, damit sich ein stabiles, schnell ansprechendes System ergibt, welches Abweichungen in der Rotordrehzahl und damit in der Wechselstromausgangsfrequenz, die durch Windböen oder durch Verlust an elektrischer Belastung verursacht werden, minimiert. Die Änderungsgeschwindigkeit der Rotordrehzahl wird für eine zusätzliche Voreilkompensation ebenfalls überwacht. Das Spitzen- oder Überdrehzahlsignal ΔΝη REF wird nur benutzt, wenn der Synchrongenerator zugeschaltet ist. Die ausführliche Implementierung des Rotordrehzahlregelplans 88 ist in Fig. 6 gezeigt.generates a rotor speed error signal, on the basis of which the P, I and D controllers set the blade pitch angle ß N according to plan, so that a stable, quickly responding system results, which deviates in the rotor speed and thus in the alternating current output frequency caused by gusts of wind or by Loss of electrical load caused is minimized. The rate of change of the rotor speed is also monitored for an additional lead compensation. The peak or overspeed signal ΔΝ η REF is only used when the synchronous generator is switched on. The detailed implementation of the rotor speed control schedule 88 is shown in FIG. 6.
Gemäß Fig. 6 wird das Istrotordrehzahlsignal Nn auf der Leitung 56 mit dem Sollrotordrehzahlsignal N REF auf der Lei-According to Fig. 6, the Istrotordrehzahlsignal N n on the line 56 with the target rotor speed signal N REF on the line
tung 70 in einem Summierpunkt 130 verglichen und ein Drehzahlfehlersignal, das zu der Differenz zwischen den beiden Signalen proportional ist, wird auf einer Signalleitung 132 erzeugt. Zu dem Signal Nn REF auf der Leitung 70 kann mittels eines Summierpunktes 131 das Signal auf der Leitung 42 addiert werden, um Phasensynchronismus zwischen dem Generator 26 und der Belastung herzustellen, was im folgenden noch näher beschrieben ist. Das Signal Nn auf der Leitung 56 wird außerdem einer Differential- oder D-Schaltung 134 zugeführt und das Ausgangssignal der D-Schaltung 134, ein Voreilsignal, wird über eine Leitung 136 an eine Verstärkungsmultiplizierschaltung 138 angelegt. Die Verstärkung der Multiplizierschaltung 138 ist in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit veränderlich und ist als Signal K· auf einer Signalleitung 97a gezeigt. Das erfindungsgemäße Merkmal der veränderlichen Verstärkung wird in Verbindung mit Fig. 9 näher beschrieben. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 138 wird an den Summierpunkt 130 über eine Signalleitung 142 in derselben Richtung wie das Signal Nn angelegt, so daß das auf der Leitung 132 erscheinende Signal tatsächlich der Rotordreh-device 70 is compared at a summing point 130 and a speed error signal proportional to the difference between the two signals is generated on a signal line 132. The signal on the line 42 can be added to the signal N n REF on the line 70 by means of a summing point 131 in order to establish phase synchronism between the generator 26 and the load, which is described in more detail below. The signal N n on line 56 is also applied to a differential or D circuit 134 and the output of D circuit 134, an advance signal, is applied to a gain multiplier circuit 138 via line 136. The gain of the multiplier circuit 138 is variable as a function of the wind speed and is shown as signal K · on a signal line 97a. The variable gain feature of the present invention is described in greater detail in conjunction with FIG. The output signal of the multiplier circuit 138 is applied to the summing point 130 via a signal line 142 in the same direction as the signal N n , so that the signal appearing on the line 132 actually corresponds to the rotor rotation.
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zahlfehler plus einer Konstanten mal der Rotordrehzahländerungsgeschwindigkeit ist.number error plus a constant times the rate of change of rotor speed is.
In der Leitung 72 ist ein Schalter 144 vorgesehen, der normalerweise offen ist und dadurch verhindert, daß das ΔΝ_ REF-Überdrehzahlsignal an dem Summierpunkt 130 anliegt. Wenn jedoch der Synchrongenerator an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen ist, wird die Blattwinkelregelung auf den Drehmomentplan 92 (Fig. 3) umgeschaltet und der Schalter 144 wird durch das diskrete Signal auf der Leitung 38 geschlossen, damit das Signal &N REF an den Summierpunkt 130 angelegt wird. Das Signal ΔΝ-, REF hat eine solche Größe und Richtung, daßIn line 72, a switch 144 is provided, which is normally is open and thereby prevents the ΔΝ_ REF overspeed signal is present at summing point 130. However, if the synchronous generator is connected to a power supply network is, the blade angle control is switched to the torque schedule 92 (FIG. 3) and the switch 144 is closed by the discrete signal on line 38 to apply the & N REF signal to summing point 130. The signal ΔΝ-, REF has such a size and direction that
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es zu dem Signal N0 REF addiert wird und dadurch die Sollge-it is added to the signal N 0 REF and thereby the setpoint
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neratordrehzahl auf einen Wert oberhalb der Nenndrehzahl von 1800 U/min erhöht wird, je nach der Größe des Signals £N REF. Da jedoch das Signal AN REF nur dann benutzt wird, wenn dernerator speed is increased to a value above the nominal speed of 1800 rpm, depending on the size of the signal £ N REF. However, since the signal AN REF is only used when the
. Xv. Xv
Synchrongenerator zugeschaltet ist und wenn die Blattwinkelregelung auf den Drehmomentregelplan 92 von Fig. 3 umgeschaltet worden ist, wirkt das Signal ΔΝ_. REF als ein überdreh-Synchronous generator is switched on and if the blade angle control has been switched to the torque control plan 92 of FIG. 3, the signal ΔΝ_ acts. REF as an overspeed
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zahlschutz.payment protection.
Ein Signal erscheint auf der Leitung 42, wenn der Synchrongenerator 26 von Fig. 2 die Sollfrequenz hat, aber nicht mit der Belastung in Phase ist, wobei dieses Signal eine derartige Größe und Richtung hat, daß die Rotorreferenzdrehzahl N REF auf der Leitung 70 vorübergehend erhöht oder verringert wird. Das Vorhandensein des Signals auf der Leitung 42, das zu dem Signal N REF in dem Summierpunkt 131 addiertA signal appears on line 42 when the synchronous generator is 26 of Fig. 2 has the desired frequency but is not in phase with the load, this signal being such The magnitude and direction is that the rotor reference speed N REF on line 70 increases or decreases temporarily will. The presence of the signal on line 42 which adds to the signal N REF at summing point 131
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wird, wird die Rotordrehzahl geringfügig verstellen, bis Phasensynchronismus erreicht ist, zu welcher Zeit das Signal auf der Leitung 42 null wird.the rotor speed will be adjusted slightly until phase synchronism is achieved, at which time the signal on line 42 becomes zero.
Es sei angenommen, daß der Schalter 144 offen ist und daß kein Signal auf der Leitung 42 erscheint. Das Signal auf der Leitung 132, das den Rotordrehzahlfehler plus einer Konstanten mal der Änderungsgeschwindigkeit der RotordrehzahlAssume that switch 144 is open and that no signal appears on line 42. The signal on line 132 which is the rotor speed error plus a constant times the rate of change of the rotor speed
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darstellt, wird dann P-, I- und D-Regelungen zugeführt, die gemeinsam das ß -Signal auf der Leitung 100 erzeugen. Die P-Regelung enthält eine Verstärkungsmultiplizierschaltung 146, die eine veränderliche Verstärkung K hat, welche über eine Signalleitung 97b nach Plan festgelegt wird. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 146 wird als ein Eingangssignal an einen Summierpunkt 150 angelegt. Die I-Regelung enthält eine Multiplizierschaltung 152, die eine veränderliche Verstärkung K hat, welche über eine Leitung 97c nach Plan festgelegt wird. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 152 wird über eine Leitung 156 als ein Eingangssignal an einen Summierpunkt 158 angelegt. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 158 wird über eine Leitung 160 an eine Integrierschaltung 162 angelegt, deren Ausgangssignal über eine Leitung 164 an den Summierpunkt 150 angelegt wird, wo es zu dem Proportionalregelsignal addiert wird.represents, P, I and D controls are then applied, which together generate the β signal on line 100. the P control includes a gain multiplying circuit 146 which has a variable gain K, which is determined via a signal line 97b according to the plan. The output of the multiplier circuit 146 is considered to be a Input signal applied to summing point 150. The I control includes a multiplier circuit 152 which is a has variable gain K, which is determined via a line 97c according to the plan. The output of the multiplier circuit 152 is applied as an input to summing point 158 over line 156. The output signal of the summing point 158 is applied via a line 160 to an integrating circuit 162, the output signal of which is applied via a line 164 to the summing point 150, where it is added to the proportional control signal will.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Integratornachsteuerung benutzt, um den Integrator 162 bei inaktiver Regelung nahe dem resultierenden Referenzblattwinkel ßR zu halten. Das Integratorausgangssignal auf der Leitung 164 wird an einen Summierpunkt 166 angelegt und mit dem ßR-Rückkopplungssignal auf der Leitung 128 verglichen. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 166, bei welchem es sich um ein Blattwinkelfehlersignal handelt, wird über die Leitung 168 an eine Verstärkungsschaltung 170 angelegt, die eine tote Zone hat, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Verstärkungsschaltung 170 hat die Aufgabe, das Integralregelsignal zu zwingen, dem Referenzblattwinkelsignal ß_. nur dannAccording to a further aspect of the invention, an integrator readjustment is used in order to keep the integrator 162 close to the resulting reference blade angle β R when the control is inactive. The integrator output on line 164 is applied to a summing point 166 and compared to the β R feedback signal on line 128. The output of summing point 166, which is a blade angle error signal, is applied via line 168 to an amplification circuit 170 which has a dead zone as shown in FIG. The amplification circuit 170 has the task of forcing the integral control signal, the reference blade angle signal ß_. only then
zu folgen, wenn der durch den Integrator 162 nach Plan festgelegte Blattwinkel in der Rotordrehzahlregelung beträchtlich von dem resultierenden Referenzblattwinkel ß_ abweicht. Die tote Zone stellt sicher, daß keine Verfolgung oder Nachsteuerung stattfindet, wenn sich der nach Plan festgelegte Blattwinkel auf der Leitung 164 nahe demjenigen befindet, den der resultierende Referenzblattwinkel ß_ angibt. Das Ausgangs-to follow if the one determined by the integrator 162 according to the schedule Blade angle in the rotor speed control deviates considerably from the resulting reference blade angle ß_. The dead zone ensures that no tracking or readjustment will take place when the schedule is set Blade angle on line 164 is close to that which the resulting reference blade angle ß_ indicates. The initial
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signal der Verstärkungsschaltung 170 wird über eine Leitung 172 an den Summierpunkt 158 angelegt und zu dem Integratoreingangssignal auf der Leitung 156 addiert, wobei das Signal auf der Leitung 172 null ist, wenn der Blattwinkelfehler innerhalb der toten Zone liegt, und ungleich null ist und zu dem Integratoreingangssignal addiert oder von demselben subtrahiert wird, wenn der Blattwinkelfehler außerhalb der toten Zone liegt.signal of the amplification circuit 170 is via a line 172 is applied to summing point 158 and to the integrator input signal on line 156, the signal on line 172 being zero if the pitch error is within the dead zone and is nonzero and added to or from the integrator input is subtracted if the blade angle error is outside the dead zone.
Die D-Regelung umfaßt eine Multiplizierschaltung 174, die eine veränderliche Verstärkung K D hat, welche über eine Signalleitung 97d nach Plan festgelegt wird. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 174 wird über eine Signalleitung an eine Differenzierschaltung 180 abgegeben. Das Ausgangssignal der Differenzierschaltung wird über eine Leitung 182 an einen Summierpunkt 184 angelegt, wo es mit den Integral- und Proportionalregelsignalen aus dem Summierpunkt 150 verknüpft wird, die auf einer Leitung 186 erscheinen. Das Ausgangssignal des Summierpunktes 184 ist das Rotordrehzahlregelungsblattwinkelreferenzsignal β auf der Leitung 100.The D control comprises a multiplier circuit 174, which has a variable gain K D , which is set according to the plan via a signal line 97d. The output signal of the multiplication circuit 174 is output to a differentiation circuit 180 via a signal line. The output signal of the differentiating circuit is applied via a line 182 to a summing point 184, where it is combined with the integral and proportional control signals from the summing point 150 which appear on a line 186. The output of summing point 184 is the rotor speed control blade angle reference signal β on line 100.
In einigen Fällen sind die D-Schaltungen 134 und 180 von Fig. 6 nicht erforderlich und können weggelassen werden oder die betreffenden Verstärkungen K^ auf der Leitung 97a und KND auf der Leitung 97d können auf null verringert werden. Das Erfordernis einer Voreilkompensation hängt von der Art der abgefühlten Betriebsvariablen ab.In some cases, D circuits 134 and 180 of Figure 6 are not required and can be omitted or the respective gains K ^ on line 97a and K ND on line 97d can be reduced to zero. The need for lead compensation depends on the type of operating variable being sensed.
Der Drehmomentregelplan 92 (Fig. 3) wird benutzt, um Rotorwellendrehmomentänderungen und Rotorblattbeanspruchungen aufgrund von Windböen und Turbulenz zu minimieren, wenn der Synchrongenerator mit einem elektrischen Netz verbunden ist. Der bevorzugte Plan fühlt das Drehmoment Q an der die Windturbine mit dem Synchrongenerator verbindenden Welle als Hauptsteuervariable ab. Das Istwellendrehmomentsignal Q erscheint Torque control schedule 92 (FIG. 3) is used to track rotor shaft torque changes and to minimize rotor blade stresses due to wind gusts and turbulence when using the synchronous generator is connected to an electrical network. The preferred schedule feels the torque Q on the wind turbine with the synchronous generator connecting shaft as the main control variable. The actual shaft torque signal Q appears
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auf der Signalleitung 64 und das Sollbetriebsdrehmomentsignal Q REF erscheint auf der Signalleitung 68. Der Drehmomentregelplan 92 gleicht dem Rotordrehzahlregelplan 88 dahingehend, daß das Istdrehmoment Q mit dem Solldrehmoment Q REF verglichen wird und daß dason signal line 64 and the desired operating torque signal Q REF appears on signal line 68. Torque control plan 92 is similar to rotor speed control plan 88 in that that the actual torque Q is compared with the target torque Q REF and that the
resultierende Differenz- oder Fehlersignal benutzt wird, um den Rotorblattwinkel über Proportional- plus Integral- plus Differentialregelungen zu beeinflussen, so daß ein stabiler, schnell ansprechender Regelkreis vorhanden ist, welcher Drehmomentänderungen minimiert. Die richtige Auswahl der Regelverstärkungen in Verbindung mit einer schnell wirkenden Anstellwinkelsteuervorrichtung sorgt für eine Dämpfung der Torsionsresonanz, die aus der Trägheit der Windturbine und der Federkonstante der Welle resultiert. Die Regelverstärkungen werden ebenfalls so ausgewählt, daß auf Windböen zurückzuführende Drehmomentabweichungen minimiert werden. Das Dämpfen der Torsionsresonanz des Windturbinenrotors hilft, Blattbeanspruchungen, Getriebebelastungen und Wellendrehmomente zu verringern, und gestattet die Verwendung eines schneller ansprechenden Drehmomentregelkreises. Das Ausgangssignal des Drehmomentregelplans 92 ist das Drehmomentregelungsblattwinkelreferenzsignal ß_, das auf der Leitung 108 erscheint. Die Rückkopplung des Blattwinkelreferenzsignals ß erfolgt über die Leitung 128 und das planmäßige Festlegen der Verstärkung erfolgt über die Leitung 97.resulting difference or error signal is used to calculate the rotor blade angle via proportional plus integral plus To influence differential controls, so that a stable, fast-responding control loop is available, which Changes in torque are minimized. The correct selection of the control gains in connection with a fast acting one Angle of attack control device ensures damping of the torsional resonance resulting from the inertia of the wind turbine and the spring constant of the wave results. The control gains are also selected so that there are gusts of wind torque deviations that can be traced back are minimized. Damping the torsional resonance of the wind turbine rotor helps Reduce blade loads, gear loads, and shaft torques, and allows the use of a faster responding torque control loop. The output of the torque control schedule 92 is the torque control blade angle reference signal ß_ appearing on line 108. The feedback of the pitch reference signal β takes place via line 128 and the planned gain is established via line 97.
Der Drehmomentregelplan 92 erzeugt das Drehmomentregelungsblattwinkelreferenzsignal ßn auf der Leitung 108 nur dann, wenn der Synchrongenerator zugeschaltet ist, d.h. nur dann, wenn die Ausgangsfrequenz und die Phase des Synchrongenerators mit denen des Stromversorgungsnetzes innerhalb der durch die Synchronisierschaltung 3 0 von Fig. 2 festgelegten Grenzen in Synchronismus sind. Gleichzeitig mit dem Zuschalten des Ausganges des Synchrongenerators wird der Rotordrehzahlregelplan 88 in eine Drehzahlspitzen- oder Überdrehzahlregelung umgewandelt. Wenn der Generator zugeschaltet ist, wird nämlich die Windturbine bezüglich der Sollrotordreh-The torque control plan 92 generates the torque control blade angle reference signal ß n on the line 108 only when the synchronous generator is connected, that is, only when the output frequency and the phase of the synchronous generator with those of the power supply network within the limits established by the synchronizing circuit 3 0 of FIG are in synchronism. At the same time as the output of the synchronous generator is switched on, the rotor speed control plan 88 is converted into a speed peak or overspeed control. When the generator is switched on, the wind turbine is in fact with respect to the Sollrotordreh-
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zahl, N„ REF plus ΔΝ_. REF, immer Unterdrehzahl haben undnumber, N "REF plus ΔΝ_. REF, always have underspeed and
R KR K
das Rotordrehzahlregelungsblattwinkelreferenzsignal ß auf der Leitung 100 wird einen niedrigeren Blattwinkel verlangen, damit die Rotordrehzahl erhöht wird. Der Drehmomentregelplan 92 begrenzt den Blattwinkel in Übereinstimmung mit den Drehmomentgrenzwerten des Systems und wird unter den meisten Umständen einen höheren Blattwinkel verlangen, d.h. einen Blattwinkel, der sich näher bei der Fahnenstellung befindet. Da die Größtwertwählschaltung 98 von Fig. 3 das höchste Blattwinkelsignal durchläßt, wird das Drehmomentregelungsblattwinkelreferenzsignal ß dasjenige sein, das durchgelassen wird, und der Rotordrehzahlregelplan 88 wird nur in Notsituationen wirksam, wenn der Rotor Überdrehzahl erreicht, zu welcher Zeit das Rotordrehzahlregelungsblattwinkelreferenzsignal ßM dasjenige Signal sein wird, das den höheren Blattwinkel verlangt.the rotor speed control blade angle reference signal β on the line 100 will require a lower blade angle so that the rotor speed is increased. The torque control schedule 92 limits the blade angle in accordance with the system's torque limits and will in most circumstances require a higher blade angle, that is, a blade angle closer to vane. Since the maximum value selector circuit 98 of Fig. 3 passes the highest blade angle signal, the torque control blade angle reference signal β will be the one that is passed and the rotor speed control schedule 88 will only be effective in emergency situations when the rotor reaches overspeed, at which time the rotor speed control blade angle reference signal β M will be that signal that requires the higher blade angle.
Fig. 8 zeigt die Einzelheiten des Drehmomentregelplans 92 von Fig. 3. Das Signal Q für das gemessene Drehmoment auf der Leitung 64 und das Solldrehmomentsignal Q REF auf der Leitung 68 werden in einem Summierpunkt 188 verglichen und es wird ein Drehmomentfehlersignal auf einer Signalleitung 190 erzeugt. Die Proportionalregelung erfolgt durch eine Multiplizierschaltung 192, die eine veränderliche Verstärkung K hat, welche über eine Leitung 97e nach Plan festgelegt wird. Die Integralregelung erfolgt durch eine Multiplizierschaltung 196, die eine veränderliche Verstärkung K hat, welche über eine Leitung 97f nach Plan festgelegt wird. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 196 wird über eine Leitung 198 an einen Summierpunkt 200 angelegt, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 202 an einen Integrator 204 angelegt wird. Das Integratorausgangssignal· wird dann über eine Leitung 206 an einen Summierpunkt 208 angel·egt/ wo es zu dem Ausgangssignal· der Mu^ipiizierschaitung 192 auf einer Leitung 210 addiert wird. Die Integratornachführung erfoigt wie in dem Rotordrehzahlregelpl·an (Fig. 6) durch den Referenzbiattwinkel ß_, auf der Leitung 128, der8 shows the details of the torque control schedule 92 of FIG. 3. The measured torque signal Q on line 64 and the desired torque signal Q REF on line 68 are compared at summing point 188 and a torque error signal on signal line 190 is generated . The proportional control is carried out by a multiplier circuit 192, which has a variable gain K, which is determined via a line 97e according to the plan. The integral control is carried out by a multiplier circuit 196 which has a variable gain K, which is determined via a line 97f according to the plan. The output signal of the multiplier circuit 196 is applied via a line 198 to a summing point 200, the output signal of which is applied to an integrator 204 via a line 202. The integrator output signal is then applied to a summing point 208 via a line 206 / where it is added to the output signal of the multiplying circuit 192 on a line 210. As in the rotor speed control plan (FIG. 6), the integrator tracking takes place by means of the reference blade angle β_, on the line 128, the
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mit dem Integratorausgangssignal an einem Summierpunkt verglichen wird. Das Differenzsignal wird über eine Leitung 214 und eine Verstärkungsschaltung 216 sowie eine Leitung 218 an den Summierpunkt 200 angelegt. Die Verstärkungsschaltung 216 hat eine tote Zone, die in Fig. 8 gezeigt ist, damit der Integrator 204 nur dann nachgeführt wird, wenn sein Ausgangssignal beträchtlich von dem Referenzblattwinkel ßR abweicht.is compared with the integrator output signal at a summing point. The difference signal is applied to summing point 200 via a line 214 and an amplification circuit 216 as well as a line 218. The amplification circuit 216 has a dead zone, which is shown in FIG. 8, so that the integrator 204 is only tracked when its output signal deviates considerably from the reference blade angle β R.
Die Differentialregelung erfolgt durch eine Multiplizierschaltung 220, die eine veränderliche Verstärkung Kß hat, welche über eine Leitung 97g nach Plan festgelegt wird. Das Ausgangssignal der Multiplizierschaltung 220 wird über eine Signalleitung 224 an eine Differenzierschaltung 226 angelegt und das Ausgangssignal der Differenzierschaltung 226 wird über eine Leitung 228 an einen Summierpunkt 230 angelegt, wo es mit dem P- plus I-Ausgangssignal des Summierpunktes 208 auf einer Signalleitung 232 verknüpft wird.The differential control is carried out by a multiplier circuit 220, which has a variable gain K β , which is determined via a line 97g according to the plan. The output signal of the multiplier circuit 220 is applied to a differentiating circuit 226 via a signal line 224 and the output signal of the differentiating circuit 226 is applied to a summing point 230 via a line 228, where it is combined with the P plus I output signal of the summing point 208 on a signal line 232 will.
Das Ausgangssignal des Summierpunktes 230 auf der Leitung 108, bei welchem es sich um das PID-Drehmomentregelungsblattwinkelreferenzsignal ß handelt, geht über einen Schalter 234. Der Schalter 234 wird nur dann geschlossen, um dem Referenzblattwinkelsignal ß den Durchgang zu gestatten, wenn der Synchrongenerator zugeschaltet ist und ein diskretes Signal durch die Synchronisierschaltung 30 (Fig. 3) auf der Leitung 38 erzeugt wird. Das Signal auf den Leitungen 38 schließt den Schalter 40 (Fig. 2), verbindet den Synchrongenerator mit dem Stromversorgungsnetz und schließt gleichzeitig die Schalter 144 (Fig. 6) und 234 (Fig. 8), wodurch der Rotordrehzahlregelplan 88 in eine Überdrehzahlregelung umgewandelt wird, wie es oben beschrieben ist, und wodurch außerdem der Drehmomentregelplan 92 in das System eingeschaltet wird. Wenn der Synchrongenerator von dem Stromversorgungsnetz aus irgendeinem Grund getrennt wird oder wenn die Frequenz und/oder die Phase des Synchrongenerators von der des Stromversorgungsnetzes abweicht, wird das diskreteThe output of summing point 230 on line 108 which is the PID torque control blade angle reference signal ß acts, goes through a switch 234. The switch 234 is only closed to the reference blade angle signal ß to allow passage when the synchronous generator is switched on and a discrete one Signal by the synchronizing circuit 30 (Fig. 3) on the line 38 is generated. The signal on lines 38 closes switch 40 (FIG. 2), connects the synchronous generator to the power supply network and closes at the same time switches 144 (Fig. 6) and 234 (Fig. 8), causing the rotor speed control schedule 88 to be in overspeed control is converted as described above and thereby also energizes the torque control schedule 92 into the system will. If the synchronous generator is disconnected from the power supply network for any reason or if the frequency and / or the phase of the synchronous generator differs from that of the power supply network, becomes the discrete
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Signal auf der Leitung 38 abgeschaltet, die Schalter 40, 144 und 234 werden geöffnet und die Windturbine kehrt zur Rotordrehzahlregelung zurück.Signal on line 38 is switched off, switches 40, 144 and 234 are opened and the wind turbine returns to Rotor speed control back.
Wenn der Generator an das Netz angeschlossen ist, und somit der Blattwinkel unter der Kontrolle des Drehmomentregelplans 92 steht, werden die Generatordrehzahl und somit die Ausgangsfrequenz durch das Stromversorgungsnetz angemessen konstant gehalten. Nach dem Zuschalten hält das Stromversorgungsnetz die Drehzahl des Synchrongenerators auf der Netzfrequenz und mit derselben in Phase. Eine geringere Rotorwellensteifigkeit wird die Federkonstante der die Windturbine mit dem Synchrongenerator verbindenden Welle verringern und helfen, Wellendrehmomentstörungen zu verringern. When the generator is connected to the mains and therefore the blade angle is under the control of the torque control plan 92 stands, the generator speed and thus the output frequency through the power supply network are appropriate kept constant. After switching on, the power supply network keeps the speed of the synchronous generator at Mains frequency and in phase with the same. A lower rotor shaft stiffness will reduce the spring constant of the shaft connecting the wind turbine to the synchronous generator and help to reduce shaft torque disturbances.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt eine weitere Unterstützung bei der Verringerung von Wellendrehmomentabweichungen bei zugeschaltetem Generator und bei der Verringerung von Drehzahlabweichungen bei vom Netz getrenntem Generator durch den Windvorwegnahmeregelplan 90 von Fig. 3, der ausführlich in Fig. 7 gezeigt ist. Der Windvorwegnahmeregelplan 90 erzeugt ein Signal ^ant au^ ^er Lei~ tung 104 für sich schnell ändernde Windzustände über einen Nominalplan des Windturbinenblattwinkels, Block 236, in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit V „ , die als ein Eingangssignal an dem Block 236 auf der Leitung 84 erscheint, und durch eine differenzierende überlagerungsvorwegnahmeschaltung in dem Block 237. Der Windvorwegnahmeplan in dem Block 236 wird erhalten, indem der Blattwinkel berechnet wird, der benötigt wird, um für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten eine konstante Ausgangsleistung zu erzeugen, und zwar unter der Annahme, daß die Generatordrehzahl konstant auf dem gewünschten Referenzwert ist. Es können zwei Windvorwegnahmepläne benutzt werden, von denen einer für 100% Leistung aufgestellt wird, wenn die Drehmomentregelung mit aufs Netz ge-According to yet another aspect of the invention, further support in reducing shaft torque deviations when the generator is switched on and in reducing speed deviations when the generator is disconnected from the grid is provided by the wind anticipation control plan 90 of FIG. 3, which is shown in detail in FIG. 7. The wind anticipation control map 90 produces a signal ^ ant au ^ ^ he Le i ~ tung 104 for rapidly changing wind conditions for a nominal schedule of the wind turbine blade angle, block 236, in response to the wind speed V ", which as an input signal to the block 236 on the line 84 appears, and by a differentiating overlay anticipation circuit in block 237. The wind anticipation schedule in block 236 is obtained by calculating the blade angle needed to produce a constant output for different wind speeds, assuming that the Generator speed is constant at the desired reference value. Two wind anticipation plans can be used, one of which is set up for 100% power if the torque control is also connected to the grid.
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schalteten! Generator benutzt wird, und von denen die zweite für rü 0% Leistung aufgestellt wird, wenn der Generator nicht zugeschaltet ist. In jedem Fall ist das Signal B auf derswitched! Generator is used, and the second of which is set up for around 0% power when the generator is not switched on. In either case, signal B is on the
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Leitung 104 nur während sich schnell ändernder Windzustände ungleich null. Das Signal wird zu dem Rotordrehzahlregelungsblattwinkelreferenzsignal ß„ an dem Summierpunkt 102 addiert und außerdem zu dem Drehmomentregelungsblattwinkelreferenzsignal ßn in dem Summierpunkt 110. Wenn sich die Windgeschwindigkeit ändert, legt das Vorwegnahmesignal ßANT planmäßig eine Änderung des Blattwinkels fest, die vorübergehende Abweichungen in der Rotordrehzahl oder im Drehmoment minimiert, welche aus Windböen resultieren würden. Starke Windböen werden jedoch im allgemeinen das Drehmoment oder die Drehzahl ausreichend ändern und bewirken, daß der Generator vom Netz abgeschaltet wird, bis die richtige Frequenz und die richtige Phase wiederhergestellt sind.Line 104 only during rapidly changing non-zero wind conditions. The signal is to the rotor speed control blade angle reference signal ß "added at the summing point 102 and also ß to the torque control blade angle reference signal n in the summing junction 110. If the wind speed changes, the anticipatory signal sets ß ANT schedule a change of the blade angle determines the temporary variations in the rotor speed or minimized in torque, which would result from gusts of wind. However, strong gusts of wind will generally change the torque or speed sufficiently and cause the generator to be disconnected from the mains until the correct frequency and phase are restored.
Statt dessen können Wellendrehmomentänderungen auch durch eine herkömmliche Schlupfkupplung zwischen der Windturbine und dem Synchrongenerator verringert werden.Instead, shaft torque changes can also be achieved through a conventional slip clutch between the wind turbine and the synchronous generator can be reduced.
Die Verwendung einer PID-Regelung, die in einem Integrator mit quadratischer Vorei!kompensation vereinigt ist, sowohl in dem Generatordrehzahlregelplan 88 als auch in dem Drehmomentregelplan 92 verbessert die Stabilität und die Ansprechempfindlichkeit der Regelkreise beträchtlich. Die quadratische Vorei!kompensation führt zu einer unterdämpften Antiresonanz vor der Hauptsystemresonanzfrequenz, die eine zusätzliche Phasenvoreilung ergibt, um höhere Systemverstärkungen und eine höhere Uberschneidungsfrequenz zu gestatten, die ein schnelleres Ansprechen und eine genauere Regelung ermöglichen. Eine Filterung kann erforderlich sein, wenn die Drehzahl- und/oder Drehmomentfühler zu rauschbehaftet sind.The use of a PID control, which is combined in an integrator with quadratic lead compensation, both in the generator speed control plan 88 as well as in the torque control plan 92 improves the stability and the responsiveness of the control loops considerably. The quadratic lead compensation leads to an underdamped anti-resonance in front of the main system resonance frequency, which results in an additional phase lead, by higher system gains and to allow a higher crossover frequency, which enables faster response and more precise control. Filtering may be necessary if the speed and / or torque sensors are too noisy.
Der Verzögerungsregelplan 94 von Fig. 3 ist in Form eines Diagramms in Fig. 5 gezeigt. In dem Fall, in welchem die Windturbine schnell abgeschaltet werden muß, ist es wichtig,The delay control plan 94 of FIG. 3 is shown in the form of a diagram in FIG. 5. In the case where the Wind turbine has to be shut down quickly, it is important
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die Geschwindigkeit zu begrenzen, mit der der Blattwinkel in Fahnenstellung gebracht wird, um die Beanspruchungen zu minimieren, die in den Blättern auftreten, wenn die Windturbine verlangsamt wird. Gemäß der Erfindung wird diese Grenze geschaffen, indem ein maximaler Blattwinkelgrenzwert vorgesehen wird, der als Funktion der mittleren Windgeschwindigkeit Vr _ und der Rotordrehzahl N_, nach Plan festgelegt wird. Der Plan ist für eine typische Windturbine in Fig. 5 gezeigt, in welcher das Verzögerungsregelungsblattwinkelreferenzsignal Bn über der Windgeschwindigkeit VWA für ausgewählte Rotordrehzahlen N aufgetragen ist. Der Plan von Fig. 5 ist in Fig. 3 implementiert. Dabei werden Eingangssignale der mittleren Windgeschwindigkeit, V , ,to limit the speed at which the blade angle is brought into the feathering position in order to minimize the stresses that occur on the blades when the wind turbine is slowed down. According to the invention, this limit is created in that a maximum blade angle limit value is provided, which is determined according to the plan as a function of the mean wind speed V r _ and the rotor speed N_. The plan is shown for a typical wind turbine in FIG. 5, in which the delay control blade angle reference signal B n is plotted against the wind speed V WA for selected rotor speeds N. The plan of FIG. 5 is implemented in FIG. 3. Input signals of the mean wind speed, V,,
auf der Leitung 84 und der Rotordrehzahl N„ auf der Leitung 56 dem Verzögerungsregelplan 94 zugeführt, bei welchem es sich typischerweise um einen analogen oder digitalen Generator für eine bivariante Funktion handelt, der ein Ausgangssignal ß_ auf der Leitung 120 erzeugt, das seinerseits als ein Eingangssignal an die Kleinstwertwählschaltung 122 angelegt wird. Während des normalen Betriebes der Windturbine erzeugt der Verzögerungsregelplan 94 ein Blattwinkelreferenzsignal Bn, das einen Blattwinkel verlangt, der größer ist als der durch den Rotordrehzahlregelplan 88 oder durch den Drehmomentregelplan 92 planmäßig festgelegte. Das Signal, das von der Kleinstwertwählschaltung 122 durchgelassen wird, wird daher dasjenige sein, das auf der Eingangsleitung 118 erscheint und den kleinsten Blattwinkel verlangt. Wenn die Windgeschwindigkeit unter denjenigen Wert absinkt, der erforderlich ist, um die Nennleistung oder Nenndrehzahl zu erzeugen, wird das Signal auf der Leitung 118 einen noch kleineren Blattwinkel verlangen.on line 84 and the rotor speed N "on line 56 to the delay control plan 94, which is typically an analog or digital generator for a bivariate function, which generates an output signal ß_ on line 120, which in turn as an input signal is applied to the minimum value selection circuit 122. During normal operation of the wind turbine, the delay control plan 94 generates a blade angle reference signal B n , which requires a blade angle that is greater than that specified by the rotor speed control plan 88 or by the torque control plan 92 as planned. The signal which is passed by the minimum value selector circuit 122 will therefore be that which appears on the input line 118 and which calls for the smallest pitch angle. If the wind speed drops below the value required to produce the rated power or rated speed, the signal on line 118 will require an even smaller blade angle.
Der Verzögerungsregelplan wird allein die Kontrolle über den Blattanstellwinkel haben, wenn die Windturbine abgeschaltet werden soll, d.h. wenn der Schalter 76 in der Fahnenstellungssignalleitung 74 geschlossen wird. Durch SchließenThe delay control plan will only have control over the blade pitch when the wind turbine is shut down should be, i.e. when the switch 76 in the flag position signal line 74 is closed. By closing
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des Schalters 76 erscheint ein FAHNENSTELLUNG-Signal auf der Leitung 74 und wird an den Summierpunkt 116 angelegt, wobei das FAHNENSTELLÜNG-Signal eine derartige Größe hat, daß auf der Leitung 118 ein Signal erzeugt wird, welches einen sehr großen Blattwinkel verlangt, ungeachtet des Signals auf der Leitung 114, dem anderen Eingangssignal des Summierpunktes 116. Zu dieser Zeit wird das Signal auf der Leitung 120 immer einen kleineren Blattwinkel als das Signal auf der Leitung 118 verlangen und die Kleinstwertwählschaltung 122 wird das Verzögerungsblattwinkelreferenzsignal ß auf der Leitung 120 durchlassen. Die Windturbine wird daher verzögert und wird gemäß dem Plan von Fig. 5 angehalten, der das negative Drehmoment, das durch den Rotor erzeugt wird, auf einen Wert begrenzt, welcher etwa gleich dem Zweifachen des normalen positiven Nenndrehmoments ist.of switch 76 a FLAG POSITION signal appears the line 74 and is applied to the summing point 116, the FLAG SETTING signal being of such a magnitude that a signal is generated on line 118 which requires a very large pitch regardless of the signal on line 114, the other input of the Summing point 116. At this time, the signal on line 120 will always have a smaller blade angle than the signal on line 118 and the minimum select circuit 122 becomes the delay blade angle reference signal Let ß pass on line 120. The wind turbine is therefore decelerated and stopped according to the schedule of FIG. 5, which reduces the negative torque generated by the rotor is limited to a value which is approximately equal to twice the normal positive nominal torque.
Es ist klar, daß, ebenso wie bei dem Beschleunigungsregelplan 86, die Generatordrehzahl NG anstelle der Rotordrehzahl Nn in dem Beschleunigungsplan benutzt werden kann.It is clear that, as with the acceleration control plan 86, the generator speed N G can be used in place of the rotor speed N n in the acceleration plan.
Der Fahnenstellungsschalter 76 ist als ein Handschalter dargestellt, der tatsächlich als EIN/AüS-Schalter arbeitet, da durch das öffnen des Schalters das FAHNENSTELLUNG-Signal abgeschaltet und bewirkt wird, daß die Windturbine beschleunigt. Der Fahnenstellungsschalter 76 kann automatisch geschlossen werden, wenn in der Windturbine eine Sicherheitsschaltung vorgesehen ist, beispielsweise mit Überdrehzahl-, überstrom- oder Übertemperaturfühlern, und wenn diese Schaltung mit dem Schalter 76 verbunden ist und dessen Schließung bewirkt, wenn ein unsicherer Betriebszustand abgefühlt wird. Andere mechanische Vorrichtungen, wie eine Wellenbremse, können in bekannter Weise ebenfalls vorgesehen werden.The flag position switch 76 is shown as a hand switch, which actually works as an ON / OFF switch, since the FLAG POSITION signal is switched off by opening the switch and causing the wind turbine to accelerate. The flag position switch 76 can be closed automatically if a safety circuit is provided in the wind turbine, for example with overspeed, overcurrent or overtemperature sensors, and if this circuit is connected to switch 76 and its closure causes when an unsafe operating condition is sensed. Other mechanical devices, such as a shaft brake, can also be provided in a known manner.
Wegen der nichtlinearen aerodynamischen Leistung der Windturbine ist es erwünscht, die Regelverstärkungen in den geschlossenen Regelkreisen in Abhängigkeit von Betriebszuständen zu verändern, um die Stabilität und das Einschwing-Because of the non-linear aerodynamic performance of the wind turbine, it is desirable to have the control gains in the closed To change control loops depending on the operating conditions in order to improve the stability and the transient
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verhalten zu optimieren. Die bevorzugte Implementierung ist in Fig. 9 gezeigt, in welcher das Signal V- der mittleren Windgeschwindigkeit auf der Leitung 84 (Fig. 1) dem Verstärkungsplan 95 (Fig. 3) zugeführt wird, der mehrere Analogoder Digitalfunktionsgeneratoren 238, 240, 242, 244, 246, und 250 enthält, welche ihrerseits Ausgangssignale auf den Leitungen 97b, 97c, 97d, 97a, 97e, 97f bzw. 97g erzeugen, die die nach Plan festgelegten Rege!verstärkungen K , K , K , K·, K0 , K0 bzw. K0n darstellen. Die Regelverstärkungen werden den passenden Verstärkungsmultiplizierschaltungen in den Fig. 6 und 8 zugeführt, um die Verstärkung der Multiplizierschaltungen in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit festzulegen. Die Verstärkungskurven die in den Funktionsgeneratoren von Fig. 9 gezeigt sind, dienen lediglich als Beispiel, da die tatsächlichen Verstärkungen von vielen Faktoren abhängig sein werden und ohne eine Analyse der spezifischen Konstruktion und Bauteile der Windturbine nicht genau festgelegt werden können.optimize behavior. The preferred implementation is shown in FIG. 9, in which the mean wind speed signal V- on line 84 (FIG. 1) is fed to gain map 95 (FIG. 3) which includes a plurality of analog or digital function generators 238, 240, 242, 244 , 246, and 250, which in turn generate output signals on lines 97b, 97c, 97d, 97a, 97e, 97f and 97g, respectively, which control gains K, K, K, K ·, K 0 , K Represent 0 or K 0n. The control gains are fed to the appropriate gain multiplier circuits in FIGS. 6 and 8 in order to determine the gain of the multiplier circuits as a function of the wind speed. The gain curves shown in the function generators of Fig. 9 are only given as an example, as the actual gains will depend on many factors and cannot be precisely determined without an analysis of the specific construction and components of the wind turbine.
Statt der planmäßigen Festlegung der Regelverstärkungen in Abhängigkeit von der mittleren Windgeschwindigkeit, wie in Fig. 9, können die RegelverStärkungen in Abhängigkeit von einer synthetisierten Windgeschwindigkeit nach Plan festgelegt werden, die eine Funktion des Turbinenblattanstellwinkels und des Wellendrehmoments ist. Eine diesem Aspekt der Erfindung entsprechende bevorzugte Implementierung ist in Fig. 10 gezeigt, in welcher Signale, die den Istblattwinkel ß und das Wellendrehmoment Q auf den Leitungen 52 bzw. 64 (Fig. 1) darstellen, dem Verstärkungsplan 95 und darin einem Analog- oder Digitalgenerator 252 für eine bivariante Funktion zugeführt werden, in dem das Wellendrehmoment Q in Abhängigkeit von einer synthetisierten Windgeschwindigkeit V„q für mehrere Rotorblattwinkel ßÄ variiert wird. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 252, das die synthetisierte Windgeschwindigkeit V darstellt, erscheint auf der LeitungInstead of the planned setting of the control gains as a function of the mean wind speed, as in FIG. 9, the control gains can be set as a function of a synthesized wind speed according to a plan, which is a function of the turbine blade angle of attack and the shaft torque. A preferred implementation corresponding to this aspect of the invention is shown in FIG. 10, in which signals representing the actual blade angle β and the shaft torque Q on lines 52 and 64, respectively (FIG. 1), the gain map 95 and therein an analog or Digital generator 252 are supplied to a bivariate function in which the shaft torque Q in dependence on a synthesized wind speed V "q for multiple rotor blade angle ß Ä is varied. The output of function generator 252, representing the synthesized wind speed V, appears on the line
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260 und wird an die Funktionsgeneratoren 262, 264 angelegt, die die RegelverStärkungen K bzw. K auf den Leitungen 97b bzw. 97g nach Plan festlegen. Die anderen fünf Verstärkungsfunktionsgeneratoren, die in Fig. 9 gezeigt sind, sind in Fig. 10 der Einfachheit halber weggelassen worden. Auch die in den Funktionsgeneratoren von Fig. 10 gezeigten Kurven dienen lediglich zur Veranschaulichung, sie ähneln aber den in Fig. 9 gezeigten.260 and is applied to the function generators 262, 264, the rule reinforcements K or K on the lines Set 97b or 97g according to the plan. The other five gain function generators, which are shown in Fig. 9 have been omitted from Fig. 10 for the sake of simplicity. Even the curves shown in the function generators of FIG. 10 are for illustrative purposes only but are similar those shown in FIG.
Es können auch andere Kombinationen der Windgeschwindigkeit, des Blattanstellwinkels und des Wellendrehmoments sowie andere Parameter zum planmäßigen Festlegen der veränderlichen Regelverstärkungen benutzt werden. Die meisten bekannten Regelsysteme benutzen konstante Verstärkungen in den Regelkreisen, mit dem Aufkommen der preisgünstigen digitalen Mikrokomputer ist es aber einfach und billig geworden, in dem Regelsystem veränderliche Verstärkungen vorzusehen.Other combinations of wind speed, blade angle of attack and shaft torque, as well as others, can also be used Parameters can be used to schedule the variable control gains. Most of the known control systems use constant gains in the control loops, with the advent of inexpensive digital microcomputers but it has become easy and cheap to provide variable gains in the control system.
Fig. 11 zeigt eine Modifizierung des Blattanstellwinkelreglers 46 von Fig. 3, in welcher der Rotordrehzahlregelplan 88 durch einen Generatordrehzahlregelplan 266 und der Drehmomentregelplan 92 durch einen Generatorleistungsregelplan 268 ersetzt worden ist. In dem Generatordrehzahlregelplan wird die Istgeneratordrehzahl ISU auf der Signalleitung 60 mit ei-FIG. 11 shows a modification of the blade pitch angle controller 46 from FIG. 3, in which the rotor speed control plan 88 by a generator speed control plan 266 and the torque control plan 92 by a generator power control plan 268 has been replaced. In the generator speed control plan, the actual generator speed ISU is on the signal line 60 with a
\j\ j
ner Sollgeneratordrehzahl KL, REF, die in einem Block 269 erzeugt wird und auf einer Signalleitung 270 erscheint, verglichen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, und P- plus I- plus D-Regelungen mit veränderlichen Verstärkungen sind in dem Regelplan 266 in ähnlicher Weise, wie es mit Bezug auf Fig. beschrieben worden ist, enthalten, um ein Generatordrehzahlblattwinkelreferenzsignal ß „ auf einer Signalleitung 272 zu erzeugen. Die Uberdrehzahlregelung erfolgt dadurch, daß zu dem Signal N_ REF ein SignalΔΝ REF addiert wird, das in einem Block 273 erzeugt wird und auf einer Leitung 274 erscheint, wenn der Synchrongenerator zugeschaltet ist. Die Integratornachführung wird ebenfalls so wie in Fig. 6 unter Verwendung des Referenzblattwinkelsignals ß_ auf der Leitungner setpoint generator speed KL, REF, which is generated in a block 269 and appears on signal line 270 is compared to produce an error signal and P- plus I- plus D-controls with variable gains are in the control schedule 266 in a similar manner as it is with reference to Fig. has been described, included to a generator speed blade angle reference signal ß "to generate on a signal line 272. The overspeed control takes place in that to a signal ΔΝ REF is added to the signal N_ REF, which in is generated in a block 273 and appears on a line 274 when the synchronous generator is switched on. The integrator tracking is also as in Fig. 6 using the reference blade angle signal ß_ on the line
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128 vorgenommen. Die Eingangssignale für die veränderlichen Verstärkungen an dem Block 266 sind nicht gezeigt.128 made. The variable gain inputs to block 266 are not shown.
Der Generatorleistungsregelplan/ der in dem Block 268 in Fig. 11 gezeigt ist, gleicht in seiner Betriebsweise dem Drehmomentregelplan 92 von Fig. 8. Die elektrische Ausgangsleistung P,, des Synchrongenerators auf der Leitung 66 in Fig. 1 (oder statt dessen nur der Ausgangsstrom) wird mit einem Generatorsolleistungs- oder Generatorleistungsreferenzsignal P- REF verglichen, das in einem Block 279 erzeugt wird und auf einer Leitung 280 erscheint (oder statt dessen mit einem Generatorsollstrom- oder Generatorstromreferenzsignal) , um ein Fehlersignal zu erzeugen, und Proportional- plus Integral- plus Differentialregelungen, veränderliche Verstärkungen und eine Integratornachführung sind ähnlich wie bei der Regelung von Fig. 8 vorgesehen, um ein Generatorleistungs(oder Strom-)-Blattwinkelreferenzsignal ßp auf einer Leitung 282 zu erzeugen. Das Addieren des Windvorwegnahmeregelungsblattwinkelreferenzsignals ßANT zu den Referenzsignalen ßWf, und ß und die Verwendung einer Umschaltung, um den Generatorleistungsregelplan in das System nur dann einzuschalten, wenn der Generator zugeschaltet ist, können in der oben beschriebenen Weise implementiert werden.The generator power control plan / shown in block 268 in FIG. 11 is similar in its operation to the torque control plan 92 of FIG. 8. The electrical output P 1 of the synchronous generator on line 66 in FIG. 1 (or instead just the output current ) is compared to a generator setpoint or generator power reference signal P- REF, which is generated in a block 279 and appears on a line 280 (or instead with a generator setpoint or generator current reference signal) to generate an error signal, and proportional plus integral plus differential controls, variable gains, and integrator tracking are provided, similar to the control of FIG. 8, to produce a generator power (or current) pitch reference signal βp on line 282. Adding the wind anticipation control blade angle reference signal β ANT to the reference signals β Wf , and β and using a switch to turn the generator power control plan into the system only when the generator is turned on can be implemented in the manner described above.
In Fällen, in denen mehr elektrische Leistung benötigt wird als durch eine einzige Windturbine geliefert werden kann, können mehrere Windturbinen parallel angeordnet werden, wobei aber die betreffenden Synchrongeneratoren dieselbe elektrische Frequenz und Phase erzeugen müssen. Das Intrittkommen erfolgt aber nicht durch Verändern der Größe der erzeugten Spannungen, wie bei der Gleichspannungserzeugung, sondern durch Verändern der Eingangsleistung der Windturbinen durch planmäßiges Festlegen des Rotorblattwinkels.In cases where more electrical power is required than can be supplied by a single wind turbine, several wind turbines are arranged in parallel, but the relevant synchronous generators are the same electrical Have to generate frequency and phase. The entry is not made by changing the size of the generated Voltages, as in the case of direct voltage generation, but by changing the input power of the wind turbines Scheduled setting of the rotor blade angle.
Der Betrieb des Regelsystems ist hauptsächlich unter Bezugnahme auf Blockdiagramme und Funktionsgeneratoren ohne spezielle Beschreibungen des Aufbaus derselben beschrieben wor-The operation of the control system is mainly with reference to block diagrams and function generators with no specific reference Descriptions of the structure of the same have been
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den. Es ist klar, daß das Regelsystem vollständig im Analogformat aufgebaut werden kann, wobei die auf den verschiedenen Leitungen erscheinenden Signale Spannungspegel sind. Es ist jedoch außerdem klar, daß die bevorzugte Implement tierung des Regelsystems digital ist, wobei vorhandene Mikroprozessoren und/oder Digitalcomputer zum Ausführen der notwendigen Steuerfunktionen benutzt werden. In der digitalen Ausführungsform kann die Umwandlung der abgefühlten Parametersignale aus dem Analogformat ins Digitalformat und die Rückumwandlung der Stellantriebssteuersignale aus dem Digitalformat ins Analogformat erforderlich sein.the. It will be understood that the control system can be built entirely in analog format, with the different ones being used Lines appearing signals are voltage levels. However, it is also clear that the preferred implement The control system is digital, with existing microprocessors and / or digital computers for executing the necessary control functions can be used. In the digital embodiment, the conversion can be sensed Parameter signals from the analog format into digital format and the reconversion of the actuator control signals from the Digital format to analog format may be required.
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Claims (43)
und Differentialregelsigii^liv.. vi il2h^::,: -;\:ii~ ve:: den; erstena device for lir ^ -tv-ven ν αϊ.-rcpv -. 'c:; - ^ ,.:. ^.! -, int-poral-
and Differentialregelsigii ^ liv .. vi il2h ^ ::,: -; \: ii ~ ve :: den; first
mit mehreren Blättern hat, deren Anstellwinkel veränderlich ist, gekennzeichnet durch:38. Wind turbine generator control system for a wind turbine powered generator that produces AC electrical power, the wind turbine having a wind powered rotor
with several blades, the angle of which is variable, characterized by:
einzelne Proportional-, Integral- und Differentialverstärkungssignale erzeugt,means responsive to the first signal and
generates individual proportional, integral and differential gain signals,
modifiziert worden sind, verknüpft, um ein Blattwinkelreferenzsignal zu erzeugen, undmeans which control the proportional, integral and differential control signals generated by the gain signals
have been modified, linked to generate a pitch reference signal, and
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