DE3308564A1

DE3308564A1 - Windturbinenanlage

Info

Publication number: DE3308564A1
Application number: DE19833308564
Authority: DE
Inventors: Kermit Ivan 06095 Windsor Conn. Harner; Joseph Michael 10140 Holyoke Mass. Kos; John Peter 06074 South Windsor Conn. Patrick
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1982-04-02
Filing date: 1983-03-10
Publication date: 1983-10-13
Also published as: KR840004221A; FI831031A7; SE8301552D0; FI831031L; FI831031A0; NL8301059A; IT1163196B; DK136683D0; IT8320367A1; AU1248183A; ES8407337A1; IN158266B; FR2524570B1; ES521001A0; NO830945L; US4435647A; DK136683A; IL68114A0; BR8301456A; GB2117934A

Description

patentanwälte Menges

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Professional representatives before the European Patent Office Erhardtstrasse 12. D 8000 München 5

Patentanwälte Menges & Prahl. Erhardtstr 12. D-8000 München 5 Dip! -Ing Rolf Menges

Dipl -Chem Dr Horst Prahl

Telefon (089) 26 3847 Telex 529581BIPAT d Telegramm BIPAT München

Ihr Zeichen/Your ref

UnserZeichen/Ourrof U 83

Datum/Date 10.03.83

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 061Q1, V.St.A.

Windturbinenanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage mit einer auf einem Turm montierten Windturbine zur Erzeugung von elektrischer Energie und betrifft insbesondere das Dämpfen der Turmprimärresonanζfrequenz während des Beeinflussens des Rotorblattwinkels zum Aufrechterhalten des Nenndrehmoments oder der Nennleistung.

Die Ausnutzung des Windes als billige Quelle für elektrische Energie hat offensichtlich den Nachteil der Abhängigkeit von den Windbedingungen. Um eine Windturbinenanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie brauchbar und wirtschaftlich nutzbar zu machen, ist es notwendig, den Betrieb der Windturbine in einem breiten Bereich von Windbedingungen und für den größten Anteil der möglichen Zeit zu gewährleisten. Windturbinen werden deshalb typisch dort angeordnet (manchmal gebündelt in sogenannten Windenergiefarmen) , wo die vorherrschenden Windbedingungen relativ günstig sind, d.h., wo eine ausreichende Windge-

schwindigkeit für eine möglichst lange Zeit verfügbar ist. Wenn jedoch der Wind eine ausreichende Stärke zur Erzeugung von nutzbarer elektrischer Energie hat, ist er gewöhnlich während eines beträchtlichen Anteils der Zeit böig.

Für eine wirksame Erzeugung von elektrischer Energie unter Ausnutzung des Windes werden sehr große Blätter (Paare von Blättern mit einer Gesaratlänge in der Größenordnung von 30 bis 100 m) an der Spitze von sehr hohen Türmen (mit einer Höhe zwischen 30 und 90 m) angebracht. Weil die Windturbine direkt mit der elektrischen Generatoranlage verbunden ist (über Getriebe und elastische Verbindungswellen), erfordert das Aufrechterhalten des Sollwertes der elektrischen Leistungsabgabe (so daß diese zu der Gesamtenergie beitragen kann, die an ein elektrisches Versorgungsnetz abgegeben wird) das Beeinflussen des Blattwinkels, um die Auswirkungen von unvorhersagbaren Windböen und Turbulenz auf die durch die Windturbine entwickelte Leistung zu kompensieren. Es sind deshalb bereits Systeme geschaffen worden, um entweder das SoIlrotorwellendrehmoment des Windturbinenrotors oder die durch den Generator erzeugte Leistung zu überwachen und Veränderungen dieser Faktoren auszunutzen, um den Blatteinstellwinkel der Rotorblätter so zu beeinflussen, daß die Nennleistung bei Windgeschwindigkeiten, die bei oder über der Nennwindgeschwindigkeit liegen, aufrechterhalten wird. Weil das Drehmoment und die Leistung durch die Drehgeschwindigkeit des Generators in direkter Beziehung zu'einander stehen, werden diese Begriffe hier gegeneinander austauschbar benutzt und stattdessen mit Drehmoment/ Leistung bezeichnet. Der maximale Effekt tritt auf, wenn die Blätter einen kleinen Blatteinstellwinkel haben (die Blattoberflächen sind im wesentlichen rechtwinkelig zu der Rotorwelle), und der minimale Effekt tritt auf, wenn die Blätter ihren maximalen Winkel von ungefähr 90° haben (die Oberflächen sind grundsätzlich parallel zu

der Rotorwelle), was als "Segelstellung" bezeichnet wird Ein Blattwinkelregelsystem dieses Typs ist in der US-PS 4 193 005 beschrieben.

Ein hoher Windturbinenturm mit sehr großen Blättern, Wel len und Getrieben, elektrischem Generator und zugeordneter Regelungs- und Schutzausrüstung, die an der Spitze des Turms angeordnet sind, ist notwendigerweise eine freitragend angeordnete Masse, die eine Steifigkeitskonstante und ein strukturelles Dämfungsverhältnis hat. Irgendeine Kraft wird die Primärturmresonanz anregen.

Der Schub an den Blättern (verursacht durch den auf die Blätter parallel zu der Drehachse des Windturbinenrotors einwirkenden Wind) ist eine Kraft, die bestrebt ist, die Windturbinenanlage in Richtung des Windes zu beschleunigen. Die Spitze des Windturbinenturms nimmt deshalb (im Beharrungszustand) eine Position ein, wo die Schubkraft durch die in dem Turmaufbau in Abhängigkeit von der Turmsteif igkeit entwickelte Reaktionskraft ausgeglichen ist. Wenn sich die Windgeschwindigkeit ändert (z.B. wenn eine Bö auftritt), so wird dadurch die Gesamtkraft verändert, die auf die Ausrüstung an der Spitze des Turms ausgeübt wird, was zur Folge hat, daß sich der Turm in einer Richtung parallel zu der Windkraft vor- und zurückbewegt (schwingt). Wenn die Windgeschwindigkeit unter der Geschwindigkeit ist, bei der die Nennleistung erzeugt wird, kann der Rotorblattwinkel fest eingestellt bleiben oder er kann geringfügig beeinflußt werden, um die Energieerzeugung zu optimieren, wenn sich die Windgeschwindigkeit ändert. Bei einem festen (oder beinahe konstanten) Blattwinkel wird der Schub (die Längswindkraft) an den Blättern mit zunehmender Windgeschwindigkeit in allen Fällen zunehmen, und deshalb wird jede Bewegung der Spitze des Turms eine positive aerodynamische Dämpfung

β β β *

auf den Turm ausüben (in demselben Sinne wie die strukturelle Dämpfung des Turms). In diesem Fall wird die Schwingung des Turms in dessen Primärbiegemode auf eine Zusatzkraft aufgrund einer Windbö hin abgeschwächt und von geringer Bedeutung sein. Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit (d.h. der Windgeschwindigkeit, bei der die Nennleistung erzeugt wird) reagiert die Leistungsregeleinrichtung auf Leistungs- oder Drehmomentveränderungen, die durch Windböen oder Turbulenz verursacht werden, und verstellt (beeinflußt) den Rotorblattwinkel derart, daß die Leistung oder das Drehmoment konstant gehalten wird. Wenn bei konstant gehaltener Leistung die Windgeschwindigkeit zunimmt, nimmt der Schub ab. Daher führt die Blattbeeinflussung auf eine Windbö hin, urn die Leistung konstant zu halten, zu einem entgegengesetzten Zusatzschub, der deshalb so gerichtet ist, daß eine negative aerodynamische Dämpfung auf den Turm ausgeübt wird. Diese negative Dämpfung subtrahiert sich von der strukturellen Dämpfung des Turms und führt zu größeren Turmschwingungen. Bei Windturbinen, die für maximale Windenergieausnutzung und enge Leistungsregelung ausgelegt sind, kann die negative Dämpfung die strukturelle Dämpfung im Leistungsregelbetrieb übersteigen. Das ergibt insgesamt eine negative Dämpfung des Turms, so daß der Turm unstabil wird (die Turmbewegung nimmt mit jeder Periode derselben bei der Primärturmresonanzfrequenz zu). In der Tat hat eine ausführliche Analyse gezeigt, daß die Wechselwirkung zwischen dem Turm und der Drehmoment/ Leistung-Regelung zu einer starken Verschlechterung der Dauerfestigkeit des Turms von mehreren zehn Jahren auf größenordnungsmäßig wenige Jahre führen kann.

Eine Anfangsbetrachtung des Problems kann auf den Gedanken führen, ein Kerbfilter zu benutzen, um die Blattwinkelkorrektur bei einer Blattwinkelführungsfrequenz, die in Beziehung zu der ersten Biegemodenfrequenz des

JS

Turms und ^der Ausrüstung desselben steht;stark zu beschneiden. Diese Lösung führt jedoch zu großen transienten Fehlern in der erzeugten Leistung, und zwar wegen der Verringerung der Ansprechempfindlichkeit des Leistungsregelkreises. Es ist außerdem bereits vorgeschlagen worden, eine zeitliche Änderung des Blatteinstellwinkels mit einem Signal zu verbessern, das aus der Turmbiegung gewonnen wird, um den Turm effektiv zu dämpfen, aus diesem Vorschlag ist jedoch nichts geworden.

Aufgabe der Erfindung ist es, für eine zusätzliche positive Dämpfung eines Windturbinenturms zu sorgen, während einer Leistungsregelung gestattet wird, den Blattwinkel zu beeinflussen, um Drehmoment- oder Leistungsschwankungen, die durch Windturbulenz hervorgerufen werden, zu minimieren.

Ί330856Α

Gemäß der Erfindung liefert eine durch eine Windturbine angetriebene Anlage zur Erzeugung von elektrischem Strom, die eine Regeleinrichtung zum Beeinflussen des Rotorblattwinkels hat, um das Nenndrehmoment oder die Nennleistung bei turbulentem Wind aufrechtzuerhalten, und die an der Spitze eines Turms angeordnet ist, eine Blattwinkelführungskomponente, die den Turbinenrotorblattwinkel derart beeinflußt, daß eine positive aerodynamische Dämpfung des Turms auf ein Voraussagebewegungssignal hin, das die analytisch im voraus ermittelte Längsbewegung des Turms parallel zu der Rotorachse als eine gefilterte Funktion des Blattwinkelreferenzsignals darstellt, erfolgt.

Weiter erfolgt gemäß der Erfindung die zusätzliche positive Dämpfung durch eine Blattwinkelreferenzsignalkomponente, deren Beziehung zu dem Blattwinkelreferenzsignal durch die Übergangsfunktion

KA S

K {(TA)S+1}{ (M/K)S

gegeben ist, wobei KA die Sollverstärkung ist, TA die Nacheilung der Blattwinkelverstellvorrichtung annähert und K, M und D berechnete Näherungswerte des Steifigkeits-, des Massen- bzw. des Dämpfungsfaktors des Windturbinenturms sind.

Die Erfindung kann auf analoge Weise oder auf digitale Weise, entweder mit zweckbestimmter digitaler Hardware oder als Software in einem geeigneten Computer, wie beispielsweise einem Mikroprozessor, implementiert werden.

Die Erfindung ergibt eine beträchtliche Verringerung des Primärbiegemodenansprechens eines Windturbinenturms aufgrund der Kopplung zwischen dem Turm und dem diesem zugeordneten Blattwinkelregelungssystem bei minimaler Auswirkung auf die Energieerzeugung. Die Erfindung kann leicht

implementiert werden, und zwar ohne zusätzliche dynamische Elemente an der Spitze des Turms, indem einfach
eine Schaltungsanordnung hinzugefügt oder eine einfache Änderung in dem Programm eines Computers, der den Blattwinkel regelt, vorgenommen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachts Blockschaltbild einer

Windturbine mit einem Blatteinstellwinkelregelsystem, das eine Ausführungsform der Erfindung aufweist, und

Fig. 2 ein Schaltbild, das die baulichen Kenndaten eines Windturbinenturms und einiger der auf ihn einwirkenden Schubeffekte veranschaulicht.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wie es in einem Regelsystem mit mehreren Arbeitsweisen für Windturbinen implementiert werden kann, das in der oben erwähnten US-PS 4 193 005 beschrieben ist. Eine allgemeine Beschreibung des Regelsystems, das in dieser Patentschrift beschrieben ist, erfolgt zuerst unter Bezugnahme auf die hier in der Zeichnung mit den Bezugszahlen 10-104 bezeichneten Komponenten, die die gleichen wie in der genannten Patentschrift sind? die in Klammern angegebenen Figuren sind die Figuren der genannten Patentschrift. Anschließend wird das Problem der Wechselwirkung zwischen Turm und Regelung analysiert, und es werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben .

Gemäß der Zeichnung hat die als Beispiel gewählte Windturbine zwei diametral entgegengesetzte, gleiche Rotorblätter 10, die typisch insgesamt eine Länge zwischen 30 m und 100 m haben und an einem Turm 12 befestigt sind. Die mechanischen Komponenten, Steuereinrichtungen und die Ausrüstung für die elektrische Energieerzeugung, die der Windturbine zugeordnet sind, sind in einer Gondel 14 enthalten, die auf dem Turm 12 befestigt ist. Der Aufbau von Windturbinen und die Zusatzausrüstung für diese, wie beispielsweise Giersteuereinrichtungen zum Ausrichten der Blätter in den vorherrschenden Wind, sind alle bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.

Die Turbinenrotorblätter 10 sind an einer Nabe 16 befestigt, die über eine Niederdrehzahlwelle 18 mit der elektrischen Generatoranlage 20-32 verbunden ist, welche ein Getriebe, eine Welle hoher Drehzahl, einen Synchrongenerator, Ausrüstung zum Verbinden des Generators mit einer Belastung (wie beispielsweise dem Stromversorgungsnetz eines Stromversorgungsunternehmens) und eine Phasensynchronisierschaltungsanordnung enthalten kann. Die elektrische

Γ:. ":33C8564

-Jf-

Generatoranlage 20-32 liefert ein Off/On-Line-Signal auf einer Signalleitung 34, das angibt, ob der Generator ^an das Stromversorgungsnetz angeschlossen ist,

Eine Blatteinstellwinkelregeleinrichtung 36, die insgesamt in Fig. 3 der genannten Patentschrift dargestellt ist, gibt ein Soll- oder Referenzblattwinkelsignal BR an eine elektrohydraulische Blattverstellvorrichtung 38 über eine Leitung 4 0 ab. Die Blattverstellvorrichtung 38 bewirkt, daß die Blätter 10' einen Istblattwinkel (BP in dem genannten Patent) erhalten , der gleich dem Referenzblattwinkelsignal BR auf der Leitung 40 ist.

Signale, die die Augenblicksbetriebsparameter der Windturbine angeben, werden der Blatteinstellwinkelregeleinrichtung 36 zugeführt. Ein Rotordrehzahlmeßwandler 46, der der Nabe 16 zugeordnet ist, liefert ein Rotordrehzahlsignal NR auf einer Leitung 48. Ein ähnlicher Meßwandler 50, der mit einer Welle in dem Synchrongenerator verbunden ist, liefert ein Generatordrehzahlsignal NG auf einer Leitung 52. Ein Drehmomentmeßwandler 54, der Dehnungsmesser enthalten kann und an der Welle 18 oder an einer geeigneten Welle innerhalb der elektrischen Generatoranlage 20-32 angeordnet sein kann, liefert ein Wellendrehmomentsignal QS auf einer Leitung 56. Das Wellendrehmomentsignal auf der Leitung 56 kann stattdessen auf irgendeine andere bekannte Weise geliefert werden, beispielsweise durch Abfühlen der Relativposition von axial versetzten Punkten an dem umfang der Welle. Die Blatteinstellwinkelregeleinrichtung 36 wird außerdem mit mehreren festen oder variablen Referenzsignalen versorgt, die eine Referenz-

-JO-

leerlaufrotordrehzahl, Grenzwerte der Rotorbeschleunigung und -abbremsung angeben, und ein Start/Stop-Signal, das angibt, wann die Windturbine in Betrieb oder in Segelstellung und im wesentlichen stationär sein soll. Diese Signale sind mit Bezug auf Fig. 2 des genannten Patents ausführlicher beschrieben. Ein Windgeschwindigkeitsfühler 74, der an der Gondel 14 angeordnet ist, liefert ein Signal, das die mittlere Windgeschwindigkeit VW angibt, auf einer Leitung 76. " ·

Wenn die Windturbine nicht in Betrieb ist, sind die Blätter 10 auf ihren maximalen Einstellwinkel (90°) eingestellt, so daß sie in Segelstellung sind. Die Blätter werden daher im wesentlichen kein Drehmoment auf die Nabe 16 ausüben. Wenn die Windturbine in Betrieb gesetzt werden soll, veranlaßt ein Startsignal, daß die Leerlauf-, Anlauf- und Abschaltsteuereinrichtungen 78-94 (in dem genannten Patent so bezeichnet und mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 dieses Patents ausführlicher beschrieben) allmählich den Blattwinkel verkleinern, so daß der Rotor und der Generator auf Nenndrehzahlbedingungen beschleunigt werden, ohne daß die Blätter in den Strömungsabriß gelangen oder .daß große Beschleunigungsbeanspruchungen hervorgerufen werden. Nachdem der Windturbinenrotor mit einer Winkelgeschwindigkeit läuft, die in der gewünschten Beziehung zu der Frequenz der erzeugten elektrischen Leistung steht, was notwendig ist, kann die Drehzahl etwas verändert werden, bis die elektrische Generatoranlage 20-32 in Synchronismus mit der Frequenz der elektrischen Leistung des Stromversorgungsnetzes ist, mit dem der Generator schließlich verbunden wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Steuerung von den Leerlauf-, Anlauf- und Abschaltsteuereinrichtungen 78-94 auf die Wellendrehmomentregeleinrichtung 100 (die ausführlich mit Bezug auf Fig. 6 des genannten Patents beschrieben ist) umgeschaltet. Wenn die Windturbine abgeschaltet werden soll, geht

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die Steuerung wieder auf die Leerlauf-, Anlauf- und Abschal tsteuereinrichtungen 78-94 über, die veranlassen, daß die Blätter in Segelstellung gebracht werden, ohne daß beim Abbremsen übermäßige Beanspruchungen hervorgerufen werden. Gemäß der Beschreibung in dem genannten Patent i^st da^s Mindestblattwinkel-Geschwindigkeitssignal (rate signal) BMN auf der Leitung 95 so, daß eine Änderung des Blatteinstellwinkels verursacht wird, die notwendig ist, um eine feste zeitliche Änderung der Rotorwinkelbeschleunigung während des Anlaufs aufrechtzuerhalten, um die richtige Winkeldrehgeschwindigkeit während des Leerlaufs aufrechtzuerhalten und um eine feste zeitliche Änderung der Rotorwinkelverzögerung während der Abschaltung aufrechtzuerhalten .

Wenn die elektrische Generatoranlage 20-32 phasensynchron mit der Spannung des Netzes ist (d.h. dieselbe Frequenz, Amplitude und Phase hat), wird die Anlage mit dem Netz verbunden und es erscheint ein Signal auf der Leitung 34, das angibt, daß die Windturbine on-line 1st. Der übergang zwischen On-line-Betrieb und Off-line-Betrieb erfolgt durch einen Betriebsartwähler 96 (der ausführlicher mit Bezug auf Fig. 7 in dem genannten Patent beschrieben ist), der auf das Off/On-line-Signal 34 anspricht. Wenn das erfolgt, legt der Betriebsartwähler 96 ein Wellendrehmomentblattwinkelgeschwindigkeitssignal BQ auf einer Leitung 98 (ohne Berücksichtigung der Verbesserung nach der Erfindung, die im folgenden beschrieben ist) an eine Leitung 102 an, wo es zu dem Blattwinkelreferenzgeschwindigkeitssignal BR wird; wenn aber die Windturbine off-line ist, bewirkt das Nichtvorhandensein des Signals auf der Leitung 34, daß die Leitung 102 auf das Mindestgeschwindigkeitssignal BMN auf einer Leitung 95 anspricht. Wenn die Windturbine on-line ist, ist das Drehmomentblattwinkelgeschwindig-

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keitssignal auf der Leitung 98 so, daß der Windturbine maximale Leistung bis zu der Nennleistung bei allen Windgeschwindigkeiten zwischen Ein- und Abschaltung entnommen wird; bei den Nennwindgeschwindigkeiten wird das Signal auf der Leitung 98 verändert, um das abgefühlte Wellendrehmoment (oder die Leistung) auf dem Referenzwert (Nennwert) zu halten.

Das gewählte Sollblattwinkelgeschwindigkeitssignal, das Blattwinkelref erenzges.chwindigkeitssignal BR auf der Leitung 102, wird in das Blattwinkelreferenzsignal BR auf der Leitung 40 mittels eines Integrators 104 umgewandelt (der mit Bezug auf Fig. 8 in dem genannten Patent ausführlicher beschrieben ist). Der Integrator enthält Einrichtungen zum Begrenzen der zeitlichen Änderung des Signals auf der Leitung 40 sowie zum Begrenzen der maximalen positiven und negativen Größe desselben.

Bis hierher gibt die Beschreibung, die sich auf die Bezugszahlen 10-104 bezieht, ein als Beispiel gewähltes bekanntes Regelsystem an, in welchem die Erfindung vorgesehen werden kann. Diese Beschreibung ist eine Zusammenfassung der oben erwähnten US-Patentschrift. Die nachteilige Kopplung zwischen der Primärbiegemode des Turms 12 und dem Windturbinenregelsystem, das bis hierher beschrieben worden ist, wird durch die Erfindung abgeschwächt, indem zusätzliche Blattwinkelreferenzführungskomponenten vorgesehen werden, die bewirken, daß zusätzliche Schubveränderungen voraussagegemäß in Phase mit der Geschwindigkeit der Spitze des Turms sind, wodurch eine zusätzliche, positive aerodynamische Dämpfung des Turms bewirkt wird. Das hilft, jedwede Turmschwingungen zu dämpfen, die durch Störungen der Belastung der Blätter und die entsprechende Korrektur des Blattwinkels, wie sie durch unvorhersagbare Windturbulenz verursacht werden, hervorgerufen werden.

3 " π ^r- ^ ρ

Für eine line'arisierte Analyse des oben erwähnten Kopplungsproblems zwischen dem Windturbinenturm und der Blattwinkelregeleinrichtung wird auf Fig. 2 Bezug genommen. In dieser stellt die Turmanordnung 220 den Turm 12, die Gondel 14 und sämtliche weiteren Einrichtungen dar, die an der Spitze des Turms angeordnet sind (einschließlich der Blätter 10). Fig. 2 zeigt das Ansprechen des Turms als Folge eines auf die Blätter ausgeübten Zusatzschubes (axial, parallel zu der Rotornabenwelle). Ein Zusatzschub ΔΤ ist durch eine Leitung 221 dargestellt; die Auswirkung dieses Schubes wird an der Stelle 222 durch die Auswirkung der Dämpfung reduziert, die durch eine Leitung 223 dargestellt ist, und durch die Auswirkung der Steifigkeit, die durch eine Leitung 224 dargestellt ist. Der effektive Gesamtschub, der durch eine Leitung 225 dargestellt ist, wird eine Änderung in der Beschleunigung, die durch eine Leitung 226 dargestellt ist, auf eine Weise bewirken, die in umgekehrter Beziehung zu der Masse 227 des Turms steht. Die Beschleunigung, die hier mit Z bezeichnet ist, erfolgt in der Richtung der Nabenachse und hat eine Polarität, die von der Richtung des Zusatzschubes ΔΤ abhängig ist. Das Integral 228 der Zusatzbeschleunigung ΔΖ 226 führt zu einer Zusatzgeschwindigkeit ΔΖ 229.

Die Integration 230 der Zusatzgeschwindigkeit 229 führt zu einer Zusatzposition 231 der Anordnung an der Spitze des Turms. Die Zusatzposition 231 stellt eine Änderung zu einer Ausgangsposition des Turms hin oder von dieser weg, in der die Beanspruchung oder Dehnung in der Z-Richtung null ist, dar. Wenn der Turm gebogen wird, so daß die Anordnung desselben von der Ausgangsposition weiter weg ist, ist die Steifigkeit einem Widerstand gegen den Schub äquivalent; das ist durch den Block 232 dargestellt, wobei KT die effektive Steifigkeit des Turms

330356A - vr -

darstellt.

Die Zusatzgeschwindigkeit 229 des Turms steht über das effektive Dämpfungsverhältnis DT 233 des Turms auf bekannte Weise in Beziehung zu dem äquivalenten negativen Schub. Die Bewegung des Turms 229 bewirkt jedoch auch eine Änderung in der relativen Windgeschwindigkeit 234. Wenn die Windgeschwindigkeit zunimmt, wird daher der Wind den Turm in der Richtung +Z blasen, so daß die relative Gesamtwindgesehwindigkeit an den Blättern selbst kleiner ist als in dem Fall, in welchem der Turm nicht in der Lage wäre, sich in der Richtung Z-Richtung zu bewegen. Diese Analyse ist eine vereinfachte, linearisierte Untersuchung der Auswirkung einer solchen Windbö auf dem Turm, einschließlich der Korrekturwirkungen, die durch das Regelsystem nach Fig. 1 hervorgerufen werden, dessen Regeleinrichtung 36 für den Blatteinstellwinkel und dessen Blattverstellvorrichtung 38 in idealisierter Form (auf im folgenden beschriebene Weise) durch den Block 235 dargestellt sind.

Der Schub (die auf die Blätter parallel zu der Drehachse der Blätter ausgeübte Kraft) ist eine Funktion des Blattwinkels B, dei Windgeschwindigkeit VW und der Rotordrehzahl NR. Für kleine Störungen um einen stationären Arbeitspunkt wird die Schubänderung ΔΤ ausgedrückt durch:

Ein ähnlicher Ausdruck für die Rotordrehmomentänderung AQR lautet:

_{ΔΒ t} |2* _ävw

In den Ausdrücken (1) und (2) bezeichnet "d" die par tielle Ableitung.

33GS564

Die Auswirkung eines elektrischen Generators, der ein großes Stromversorgungsnetz speist, kann analogisch als ein Motor dargestellt werden, der ein unendlich großes Schwungrad mit Nenngeschwindigkeit antreibt. Aus diesem Grund und wegen der Tatsache, daß es eine ausreichende Elastizität in der Welle zwischen dem Rotor und dem Generator gibt, ist die Windturbinenrotordrehzahl im wesentlichen konstant (^iNR = 0) . Für eine ideale Leistungsregelung (d.h. eine Regelung, die in der Lage ist, eine vollständige, augenblickliche Blattwinkelverstellung bei Änderungen der Leistung oder des Drehmoments vorzunehmen) ist, wenn der Betrieb oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit erfolgt, das Rotordrehmoment ebenfalls konstant (ÄQR = 0). Deshalb ergibt sich aus (2)

... dQR _AR _ dQR
^U) "dB ^ΔΒ " dVW

(41 AR = - ^dQR/dVW
¹ ' ^Δ dQR/dB

Wenn der Ausdruck (4) in den Ausdruck (1) in dem Fall eingesetzt wird, in welchem das letzte Glied null ist (ANR = 0), so ergibt sich

Bei einem festen Blattwinkel (ΔΒ = 0) gilt somit (7) §

so daß die aerodynamische Dämpfung des Turms in einem solchen Fall einfach sein würde:

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^dT
dVW

Die aerodynamische Dämpfung gemäß dem Ausdruck (8) erfolgt in demselben Sinn wie die positive strukturelle Dämpfung des Turms und addiert sich zu dieser.

Andererseits, wenn eine tatsächliche Leistungsregelung vorhanden ist, so daß der Blattwinkel nicht fest ist, ist die aerodynamische Dämpfung des Turms weit komplizierter. Wenn eine ideale Leistungsregelung betrachtet wird, so ergibt sich aus dem Ausdruck (6) für die gesamte aerodynamische Dämpfung:

#L dT dQR/dVW _fdT\

^ldB^;

L_ _ _f

AVW ~ dVW dQR/dB ^ldB

Gemäß Fig. 2 ist der Ausdruck (1) in den Blöcken 24 0-243 des Schubeffektteils 236 angegeben, was zusammen mit der idealisierten Regelung 235 auch den Ausdruck (9) darstellt, vorausgesetzt, daß angenommen wird, daß die Rotordrehzahländerung ANR null ist. Es sei beachtet, daß eine negative ΔΤ-Komponente (wenn sie zu ΔΤ auf der Leitung in Fig. 2 addiert wird) dieselbe Richtung haben würde wie die positive strukturelle Dämpfung auf der Leitung 223 und sich zu dieser addieren würde.

Fig. 2 ist somit ein Ausdruck der Auswirkung der Windbö auf den Turm, einschließlich des dynamischen Verhaltens des Turms, der Auswirkung des Windes auf die Blätter und der Auswirkung der entsprechenden Leistung/Drehmoment-Änderung bei Vorhandensein einer idealisierten Leistungsregeleinheit, die den Blattwinkel infolge dieser Windbö ändert. Die Analyse einer Vielfalt von Turm- und Regelungskonfigurationen einschließlich der strukturellen Kenndaten des Turms, der aerodynamischen Kenndaten der Windturbine und der Ansprechcharakteristik einer idealisierten Regelung wird zeigen, daß die Gesamtauswirkung

3T Π O ^r " ' OUO0D4 -Vf-

des Zusatzschubs als Folge einer Windbö zu einer negativen Dämpfung führt, so daß der Turm unstabil ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine korrektive Blatteinstellwinkelreferenzgeschwindigkeitssignalkomponente zu dem Drehmoment/Leistung regelnden Blatteinstellwinkelreferenzgeschwindigkeitssignal BQ auf der Leitung 98 auf eine Weise addiert, daß sich eine zusätzliche Dämpfung der Turmbewegung in dessen Primärbiegemode ergibt, und zwar auf der Basis einer Schätzung der Turmbewegung, die sich aus einer Zusatzblattwinkelkomponente ergibt, welche aus der Reaktion der Drehmoment/Leistung-Regelung auf eine Windbö resultiert (z.B. 235 in Fig. 2).

Gemäß Fig. 1 wird das Blatteinstellwinkelreferenzsignal auf der Leitung 40 an ein Verzögerungsfilter 250 angelegt, dessen Kenndaten eine Näherung des effektiven Nacheilens der elektrohydraulischen Blattverstellvorrichtung 38 sind. Das ergibt ein gefiltertes Blattwinkelreferenzsignal BLn auf einer Leitung 251 an einem Verstärker 252, der eine Verstärkung hat, die der partiellen Ableitung des Drehmoments nach dem Blattwinkel äquivalent ist (und deshalb den Block 241 in Fig. 2 darstellt). Das ergibt ein Zusatzschubsignal auf einer Leitung 253, das zu dem Zusatzschubsignal AT auf der Leitung 221 in Fig. 2 .äquivalent ist und über ein Filter 254 angelegt wird, das ein Modell der Turmanordnung darstellt, so daß eine korrektive Blatteinstellwinkelreferenzgeschwindigkeitssignalkomponente auf einer Leitung 255 geliefert wird, die eine Zusatzschubkomponente ergibt, welche eine positive aerodynamische Dämpfung des Turms bewirkt, wie es mit Bezug auf Fig. 2 oben beschrieben ist. Innerhalb des Filters 254 sind die Faktoren M, K, D berechnete, geschätzte Ä

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ye -

valente der tatsächlichen Masse, der Federkonstante und des Dämpfungsfaktors des Windturbinenturms (wie innerhalb der Turmanordnung 220 in Fig. 2 dargestellt). Zur Implementierung in Analogausführung versorgt die Signalleitung 253 einen Verstärker, der die Funktionen eines .Summierpunkts 256 mit einer Verstärkung 257 von 1/M erfüllt und dessen Ausgangssignal auf der Leitung 255 an einen Integrator 258 und von diesem aus über eine Leitung 259 an einen zweiten Integrator 260 abgegeben wird. Das Signal auf der Leitung 259 wird an einen Verstärker 261 angelegt, der eine Verstärkung D hat und dessen Ausgangssignal über eine Leitung 26 2 an den Summierpunkteingang 256 des Verstärkers angelegt wird. Ebenso wird das Ausgangssignal des Integrators 260 über eine Leitung 263 einem Verstärker 264 zugeführt, der eine Verstärkung von K hat und dessen Ausgangssignal auf einer Leitung 26 5 ebenfalls an den Summiereingang 256 des Verstärkers angelegt wird. In einer tatsächlich ausgeführten Einrichtung wird die Verstärkung 252 so eingestellt, daß sich der gewünschte Effekt ergibt, und sie wird gewöhnlich höher sein als dT/dB; die gesamte gewünschte Verstärkung des Filters wird hier mit KA bezeichnet. Selbstverständlich könnte die Verstärkung 252 innerhalb des Verzögerungsfilters 250 auf bekannte übliche Weise vorgesehen werden; die gesonderte Darstellung derselben in Fig. 1 dient zum Klarstellen der Funktion, die erfüllt wird.

Das gesamte Filter einschließlich des Turmmodellfilters 254 in Verbindung mit dem Verzögerungsfilter 250 und der Verstärkung 252, das in Fig. 1 dargestellt ist, hat folgende Ubergangsfunktion:

(KA)S² (10)

K f(TA)S+i} {(M/K)S*+(D/K)S+1 ]

wobei KA die Gesamtverstärkung ist, die eingestellt werden kann, damit sich der gewünschte Grad an Turmdämpfung ergibt. Tatsächlich kann die Erfindung einfach ausgeführt

U 3303564

werden, indem eine verzögerte Version des Blattwinkelreferenzsignals BR auf der Leitung 40 irgendeiner Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt wird, die die Ubergangsfunktion des Ausdrucks (10) liefern kann. Beispielsweise kann in einem Windturbinenblatteinstellwinkelregelsystem, das implementiert wird, indem ein geeignet programmierter Computer benutzt wird, der Zusatz zu dem Computerprogramm, der erforderlich ist, um die hier beschriebene Erfindung einer als programmierter Computer ausgeführten Version des Regelsystems gemäß der oben erwähnten US-Patentschrift hinzuzufügen, folgendermaßen erfolgen.

Filterprogramm	Springe zum Ende, wenn nicht on-line	= BLm + TA(BR-BLm)
1 .	BLn ■·	= BLn
2.	BLm ^:	dT/dBBLn (oder ΔΤ = KABLn)
3.	ΔΤ =	iT + DZm + KZm
4.	T = *	T/M
5.	Zn =	k1*Zn + Zm
6.	Zn =	k2*Zn + Zm
7.	Zn =	Zn
8.	Zm =	Zn
9.	Zm =	= BQn + Zn
10.	BQ¹ η
11.	Ende
12.

Der erste Schritt des Filterprogramms umgeht einfach das Programm immer dann, wenn die Windturbine nicht on-line ist (d.h., es gibt kein diskretes Flag, das dem Signal auf der Leitung 34 äquivalent ist, welches angibt, daß das System on-line ist). Der zweite Schritt des Programms liefert das gefilterte Blattwinkelreferenzsignal durch einen bekannten Verzögerungsalgorithmus, in welchem TA ein Äquivalent der Zeitkonstante des Filters 250 in Fig.1

3 3 Γ 3 5 b

ist, und zwar in Beziehung zu der Zykluszeit des Computers (die in der Größenordnung von 50 ms od.dgl. liegen kann). In dem Programm bezeichnet "n" den entsprechenden Wert für den gegenwärtigen Zyklus, während "m" den bezogenen Wert in dem nächsten vorangehenden Zyklus bezeichnet. Der dritte Schritt des Programms bringt einfach den Wert des gefilterten Blattwinkelreferenzsignals für die Verwendung in dem nächsten Zyklus auf den neuesten Stand. Der vierte Schritt des Programms liefert die Verstärkung des Verstärkers 252 in Fig. 1 (oder die gesamte gewünschte Verstärkung KA). Der fünfte Schritt des Programms sorgt für die Summierung des Summiereingangs 256; es sei beachtet, daß, wie bei jeder Computerimplementierung eines Systems mit Rückführung, der Rückführungswert nur mit Komponentenwerten erzeugt werden kann, die in dem nächsten vorangehenden Zyklus geliefert worden sind; da sich diese Werte in einer Computerzykluszeit nur geringfügig ändern, wird dadurch die Gesamtleistung nicht auf irgendeine meßbare Weise nachteilig beeinflußt. Der sechste Schritt liefert die Verstärkung des Verstärkers 257, und der siebente Schritt ergibt die Integration 258, wobei auf bekannte Weise der Wert k1 eine äquivalente Zeitkonstante für die Zykluszeit des Computers.ist. Ebenso ergibt der achte Schritt die Integration 260 gemäß Fig. 1. Der neunte Schritt und der zehnte Schritt bringen die Werte der Bewegungs- und Abstandsfaktoren zur Verwendung in einem nachfolgenden Zyklus auf den neuesten Stand. Der elfte Schritt bildet ein Summierungsäquivalent zu dem Summierpunkt 266 nach Fig. 1, und der zwölfte Schritt gibt auf bekannte Weise das Betriebsende an (d.h. die Rückkehr zu anderen Teilen des Programms). In einem typischen Fall kann das Liefern des Blattwinkelreferenzsignals (Leitung 40, Fig. 1) bevorzugt in einem Digitalcomputer verwendet werden, der eine beträchtliche Selbstheilungsüberwachung, Ausfallkorrektur und Abschaltsteuerung ausführen

kann. In einem solchen Fall kann die Erfindung Vorzugs- . weise durch das vorgenannte Filterprogramm innerhalb eines solchen Digitalcomputers implementiert werden. In einem Fall, in welchem ein Analogsystem (insgesamt des in Fig. 1 gezeigten Typs) benutzt wird, um das Blattwinkelreferenzsignal zu erzeugen, kann eine analoge Anordnung, die in der Lage ist, die Ubergangsfunktion des oben angegebenen Ausdrucks (10), ob von dem in Fig. 1 gezeigten Typ oder von anderem Typ, zu implementieren, benutzt werden. Außerdem kann eine zweckbestimnte digitale Anordnung geeigneten Typs bei Bedarf benutzt werden. All das liegt im Rahmen fachmännischen Könnens.

Eine weitere Möglichkeit, die Erfindung zu betrachten, besteht darin, daß sie einen vorhergesagten Schätzwert der Zusatzturmbewegung liefert, die die Folge einer Änderung des Blattwinkels sein kann. Als solche ist sie eine grobe analytische Version der Lösung, die in einer gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung beschrieben ist, für die die Priorität der US-Patentanmeldung, Serial No. 364 706, vom 2. April 1982 in Anspruch genommen worden ist. So kann das Z-Signal auf der Leitung 255 oder in dem Schritt 6 als ein Voraussagebeschleunigungssignal angesehen werden, das durch Filtern des Blatteinstellwinkelreferenzsignals mit der Ubergangsfunktion des oben angegebenen Ausdrucks (10) erzeugt wird.

Es sei beachtet, daß die Integration (104) der Summation auf der Leitung 98a der Drehmoment/Leistung-Beeinflussungskomponente auf der Leitung 98 und die Dämpfungskomponente auf der Leitung 255 eine Blattwinkelreferenzsignalkomponente für die Dämpfung ergibt, die eine Funktion der Geschwindigkeit Z ist. Deshalb könnte das Voraussagegeschwindigkeitssignal auf der Leitung 259 zu dem Ausgangssignal des Integrators 104 addiert werden, statt das Voraus-

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IS '^:r"^a

sagebeschleunigungssignal zu der Blatteinstellwinkelreferenzgeschwindigkeit vor dem Integrator 104 zu addieren. In jedem Fall ist die Beziehung der Dämpfungssignalkomponente zu dem Blatteinstellwinkelreferenzsignal die des oben angegebenen Ausdrucks (10), aber mit S statt mit S³ im Zähler. Die Erfindung kann bei Bedarf auch im Off-line-Betrieb benutzt werden. Der bedeutsame Faktor ist, daß die vorausgesagte Bewegung eine Blatteinstellwinkelkomponente ergibt, die ihrerseits eine S.chubkomponente für positive aerodynamische Dämpfung ergibt. '

Claims

United Technologies Corporation Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche :

1,,' Windturbinenanlage zum Erzeugen von elektrischer Energie,
mit einem Turm;

mit einem auf dem Turm angeordneten Rotor, der Blätter aufweist, die um eine Achse drehbar sind, und eine Blattverstellvorrichtung;

mit einer Einrichtung zum Liefern eines Ist-Drehmoment/ Leistung-Signals , das den Istwert der Drehnonent/Leistung-Erzeugung durch die Windturbinenanlage angibt; und mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zum Liefern eines Referenz-Drehmoment/Leistung-Signals, das den Sollwert der Drehmoment/Leistung-Erzeugung angibt, und zum Liefern eines Blatteinstellwinkelreferenzsignals als Funktion der Differenz zwischen dem Ist-Drehmoment/Leistung-Signal und dem Referenz-Drehmoment/Leistung-Signal; dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (36, 250, 252, 254) eine Einrichtung enthält zum Liefern des Blatteinstellwinkelreferenzsignals als eine Kombination einer Dämpfungssignalkomponente, die in Beziehung zu einer gefilterten

J w· -J ο ο ö

Funktion des Blatteinstellwinkelreferenzsignals steht, und einer Drehmoment/Leistung-Regelungssignalkomponente, welche die Funktion der Differenz zwischen dem Ist-Drehmoment/Leistung-Signal und dem Referenz-Drehmoment/Leistung-Signal ist.
2. Windturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung (250, 252, 254) enthält zum Liefern der Dämpfungssignalkomponente durch Filtern des Blatteinstellwinkelreferenzsignals mit der Ubergangsfunktion

(KA) S

K i(TA)+i} {(M/K)S² + (D/K)S+1}

wobei S der LaPlace'sehe Operator ist, TA eine Zeitkonstante ist, die ein Näherungswert der Verzögerung der Blattverstellvorrichtung ist, mit der diese auf das Blatteinstellwinkelreferenzsignal anspricht, und K, M und D Näherungswerte der Steifigkeit, der Masse bzw. der Dämpfungskonstante des Turms (12) und der auf diesem angeordneten Vorrichtungen sind, und zum Liefern der Drehmoment/Leistung-Regelungssignalkomppnente als die Integralfunktion der Differenz zwischen dem Ist-Drehmoment/Leistung-Signal und dem Referenz-Drehmoment/Leistung-Signal.
3. Windturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung eine Einrichtung enthält zum Liefern eines Voraussageturmbewegungssignals durch Filtern des Blatteinstellwinkelreferenzsignals mit der Ubergangsfunktion

(KA)S²

K i(TA)+i}{ (M/K) S² + (D/K)S+1}

3n r . O U J

wobei S der LaPlace'sehe Operator ist, TA eine Zeitkonstante ist, die ein Näherungswert der Verzögerung der Blattverstellvorrichtung ist, mit der diese auf das Blatteinstellwinkelreferenzsignal anspricht, und K, M und D Näherungswerte der Steifigkeit, der Masse bzw. der Dämpfungskonstante des.Turms und der auf diesem angeordneten Vorrichtungen sind, zum Liefern eines Blatt-.einstellwinkelreferenzgeschwindigkeitssignals als Summe des Voraussageturmbewegungssignals und eines Signals, das die Differenz zwischen dem Ist-Drehmoment/Leistung-Signal und dem Referenz-Drehmoment/Leistung-Signal angibt, und zum Liefern des Blatteinstellwinkelreferenzsignals als eine Integralfunktion des Blatteinstellwinke Ire f erenzgeschwindigkeitssignals.