DE60311896T2 - Redundantes steuerungssystem zur verstellung der anstellwinkel der rotorblätter einer windkraftanlage - Google Patents

Redundantes steuerungssystem zur verstellung der anstellwinkel der rotorblätter einer windkraftanlage Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Windkraftanlage und insbesondere ein Blattverstellungssystem einer Windkraftanlage.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Windkraftanlagen werden für gewöhnlich zum Umwandeln kinetischer Energie eines Luftstroms in elektrische Energie verwendet. Ein wesentlicher Bestandteil einer Windkraftanlage ist der Rotor mit seinen Rotorblättern, der die kinetische Energie aufnimmt und in Rotationsenergie umwandelt. Die Effizienz der Aufnahme von kinetischer Energie hängt hauptsächlich von dem aerodynamischen Profil und dem Einstellwinkel der Rotorblätter ab. Zum Anpassen des Einstellwinkels können die Rotorblätter, die in einem Blattlager drehbar an die Nabe des Rotors montiert sind, mit Hilfe eines Blattverstellungsantriebs (z. B. US-A-4348155) um ihre Längsachse gedreht werden.
  • Bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten kann die dem Wind vom Rotor entzogene Energie die von der strukturellen Festigkeit der Windkraftanlage vorgegebenen Grenzwerte übertreffen. Hinzu kommt, dass die zulässige maximale Leistung des Generators die Ausgangsleistung des Rotors begrenzt. Darüber hinaus führt die variierende Windgeschwindigkeit zu einer ungleichmäßigen Rotation des Rotors, wodurch eine zusätzliche, ungleichmäßige Last erzeugt wird. Es ist daher wünschenswert, die Leistungsaufnahme des Rotors dauerhaft zu steuern und die Drehzahl des Rotors konstant zu halten.
  • Die bei weitem effektivste Methode ist die mechanische Anpassung des Rotorblatt-Einstellwinkels. Die Rotorblätter werden im Allgemeinen mit Hilfe aktiv gesteuerter Blattverstellungsantriebe gedreht. In der Regel hat jedes Rotorblatt seinen eigenen Blattverstellungsantrieb, der eine individuelle Anpassung des Einstellwinkels ermöglicht. Zum Steuern der Blattverstellungsantriebe ist daher jedem Blattverstellungsantrieb ein separates Leistungsregelungsmodul zugeordnet.
  • Der bisherige Aufbau eines Systems zur Blattverstellungsregelung ermöglicht eine sofortige Reaktion auf variierende Windbedingungen, sogar während einer Windböe. Die ordnungsgemäße Funktion des Systems zur Blattverstellungsregelung ist für die Betriebssicherheit einer Windkraftanlage entscheidend. Es ist daher wünschenswert, eine dauerhafte und zuverlässige Regelung sicherzustellen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Dieses Ziel wird durch ein Blattverstellungssystem für eine Windkraftanlage erreicht, das Folgendes aufweist: wenigstens einen Blattverstellungsantrieb zum Ändern des Einstellwinkels eines Rotorblatts; wenigstens zwei Leistungsregelungsmodule zum Steuern des Blattverstellungsantriebs, um den Einstellwinkel des Rotorblatts anzupassen; und wenigstens eine Schalteinheit zum Verbinden des Blattverstellungsantriebs mit jedem der zwei Leistungsregelungsmodule.
  • Bei einer Funktionsstörung oder dem Ausfall eines Leistungsregelungsmoduls, kann der Blattverstellungsantrieb von diesem Leistungsregelungsmodul getrennt und an ein anderes Leistungsregelungsmodul angeschlossen werden. Um jede Beeinträchtigung auszuschließen, wird der Blattverstellungsantrieb jeweils nur mit einem der wenigstens zwei Leistungsregelungsmodule verbunden. Die Schalteinheit ermöglicht somit eine alternative Verbindung zwischen dem Blattverstellungsantrieb und jedem der zwei Leistungsregelungsmodule.
  • Das erfindungsgemäße Blattverstellungssystem kann sowohl für aktiv stallgeregelte Windkraftanlagen als auch für pitchgeregelte Windkraftanlagen verwendet werden. Aktiv stallgeregelte Windkraftanlagen vergrößern den Angriffswinkel des resultierenden Luftstroms an den Rotorblättern, um einen aerodynamischen Strömungsabriss zu erreichen. Dies verringert den aerodynamischen Auftrieb an den Rotorblättern und somit die Ausgangsleistung der Windkraftanlage. Im Gegensatz dazu reduziert eine pitchgeregelte Windkraftanlage die Leistungsaufnahme durch das Verkleinern des Angriffswinkels des resultierenden Luftstroms an den Blättern. Dies reduziert den aerodynamischen Auftrieb ebenfalls, aber ohne einen Strömungsabriss zu erzeugen. Beide Regelungsmethoden erfordern jedoch eine Regelung des Angriffswinkels, die erreicht werden kann, indem die Rotorblätter oder Teile von ihnen um ihre Längsachse gedreht werden.
  • Die Erfindung stellt ein zuverlässiges Blattverstellungssystem bereit, das eine sofortige Reaktion auf jede Funktionsstörung von Leistungsregelungsmodulen ermöglicht. Bei einer Funktionsstörung eines Leistungsregelungsmoduls erlaubt des erfindungsgemäße Blattverstellungssystem verschiedene Hauptbetriebsmodi.
  • In einem ersten Betriebsmodus wird von der Schaltein heit eine Verbindung zwischen dem Blattverstellungsantrieb, dessen Leistungsregelungsmodul ausgefallen ist, und einem Ersatz-Leistungsregelungsmodul hergestellt. Dieser Modus ermöglicht einen fortlaufenden Normalbetrieb der Windkraftanlage ohne eine Abschaltung. Das funktionsgestörte Leistungsregelungsmodul kann bei der nächsten Wartungsgelegenheit repariert werden. Für den Betrieb in diesem Modus ist ein optionales oder Ersatz-Leistungsregelungsmodul erforderlich.
  • Wenn, im Gegensatz dazu, das System zur Blattverstellungsregelung kein Ersatz-Leistungsregelungsmodul enthält, oder wenn das Ersatz-Leistungsregelungsmodul bereits im Einsatz ist, kann die Windkraftanlage sicher abgeschaltet werden, indem das System zur Blattverstellungsregelung in einem zweiten Modus betrieben wird. Bei einer Funktionsstörung eines Leistungsregelungsmoduls werden die anderen Rotorblätter der Windkraftanlage, deren Leistungsregelungsmodule weiterhin in Betrieb sind, in eine Parkstellung gebracht. Gemäß dem Geltungsbereich der Erfindung ist eine Parkstellung eines Rotorblatts als eine Stellung definiert, in welcher das Rotorblatt keine Energie aus dem Luftstrom mehr aufnimmt, oder in welcher die Aufnahme von Energie drastisch reduziert wird. Unabhängig davon, ob die Anlage aktiv stallgeregelt oder pitchgeregelt ist, werden die Rotorblätter in eine Parkstellung gebracht.
  • In einem vorhergehenden Schritt wird dasjenige Rotorblatt, dessen Leistungsregelungsmodul funktionsgestört ist, ebenfalls in eine Parkstellung gebracht. Hierzu wird das funktionsgestörte Leistungsregelungsmodul durch eines der intakten Leistungsregelungsmodule ersetzt, indem zwischen diesen zwei Leistungsregelungsmodulen umgeschaltet wird.
  • Durch den Betrieb in diesem Modus können die Einstellwinkel der einzelnen Rotorblätter zum Abschalten der Windkraftanlage nacheinander an eine Parkstellung angepasst werden. Selbst wenn nur noch ein Leistungsregelungsmodul betriebsbereit ist und alle anderen ausgefallen sind, ist eine Notfallabschaltung immer noch möglich. Obwohl dieser Betriebsmodus keinen fortlaufenden Betrieb der Windkraftanlage zulässt, lassen sich durch eine zuverlässige, schnelle und sichere Abschaltung Schäden an der Windkraftanlage vermeiden.
  • Die zuvor erwähnten Betriebsmodi lassen sich allgemeiner als ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage beschreiben, wobei die Windkraftanlage Folgendes aufweist: wenigstens einen Blattverstellungsantrieb zum Ändern des Einstellwinkels eines Rotorblatts, wenigstens zwei Leistungsregelungsmodule zum Steuern des Blattverstellungsantriebs, um den Einstellwinkel des Rotorblatts zu ändern, und wenigstens eine Schalteinheit zum alternativen Verbinden des Blattverstellungsantriebs mit jedem der zwei Leistungsregelungsmodule, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst
    • a) Überwachen desjenigen Leistungsregelungsmoduls, das gerade mit dem Blattverstellungsantrieb verbunden ist, um eine Funktionsstörung des Leistungsregelungsmoduls zu erkennen,
    • b) im Falle des Erkennens einer Funktionsstörung das anschließende Trennen des fehlerhaften Leistungsregelungsmoduls von dem Blattverstellungsantrieb und Verbinden des Blattverstellungsantriebs mit dem anderen der zwei Leistungsregelungsmodule mittels der Schalteinheit.
  • Des Weiteren lässt sich der Modus der Notfallabschaltung als ein Verfahren zur Notfallabschaltung einer Windkraftanlage beschreiben, wobei die Windkraftanlage Folgendes aufweist: wenigstens zwei Blattverstellungsantriebe zum unabhängigen Ändern des Einstellwinkels der zwei Rotorblätter, wenigstens zwei Leistungsregelungsmodule zum Steuern der zwei Blattverstellungsantriebe, um die Einstellwinkel zu ändern, und wenigstens eine Schalteinheit zum alternativen Verbinden eines beliebigen der zwei Leistungsregelungsmodule mit einem beliebigen der zwei Blattverstellungsantriebe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • a) Überwachen der zwei Leistungsregelungsmodule zum Erkennen einer Funktionsstörung der zwei Leistungsregelungsmodule,
    • b) im Falle des Erkennens einer Funktionsstörung des einen der zwei Leistungsregelungsmodule anschließendes
    • b1) Anpassen des Einstellwinkels desjenigen Rotorblatts, das ein funktionierendes Leistungsregelungsmodul aufweist, an eine Parkstellung,
    • b2) Verbinden des funktionierenden Leistungsregelungsmoduls mit demjenigen Blattverstellungsantrieb, dessen Leistungsregelungsmodul funktionsgestört ist, mittels der Schalteinheit, und
    • b3) Anpassen des Einstellwinkels des anderen Rotorblatts an eine Parkstellung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Blattverstellungssystem n Blattverstellungsantriebe und wenigstens n Leistungsregelungsmodule auf, wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist und die Leistungsregelungsmodule mittels der Schalteinheit mit den n Blattverstellungsantrieben verbunden sind. In der Regel entspricht n der Anzahl der Rotorblätter der Windkraftanlage. Die Schalteinheit schafft wiederum eine Verbindung zwischen einem beliebigen der n Leistungsregelungsmodule und einem beliebigen der n Blattverstellungsantriebe. In einer besonderen Ausführungsform weist das Blattverstellungssystem zusätzlich zu den n Leistungsregelungsmodulen wenigstens ein weiteres Leistungsregelungsmodul auf, und die Schalteinheit ermöglicht eine Verbindung des weiteren Leistungsregelungsmoduls mit jedem der n Blattverstellungsantriebe. Das weitere Leistungsregelungsmodul ist in der Regel das optionale oder Ersatz-Leistungsregelungsmodul.
  • Zur Steuerung der Schalteinheit und zur Überwachung der Leistungsregelungsmodule kann das System zur Blattverstellungsregelung eine Verwaltungseinheit aufweisen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Eine für den Fachmann vollständige und ausreichende Offenlegung der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren bester Ausführungsform, ist in detaillierterer Form im übrigen Teil der Patentanmeldung dargelegt, wobei auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird:
  • 1 und 2 stellen Ausführungsformen dar, die Blattverstellungsantriebe mit einem Drehstrommotor enthalten;
  • 3 und 4 stellen Ausführungsformen dar, die Blattverstellungsantriebe mit einem Gleichstrommotor enthalten;
  • 5 stellt den Aufbau einer Windkraftanlage dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden wird detailliert auf die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, die anhand von einem oder mehreren Beispielen in den Zeichnungen veranschaulicht sind. In den Figuren und in der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich identische Referenznummern auf gleiche Elemente. Jedes Beispiel wird als Erläuterung der Erfindung angeführt und ist nicht als Einschränkung der Erfindung gedacht. Beispielsweise können als Teil einer Ausführungsform veranschaulichte oder beschriebene Merkmale in oder im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Die vorliegende Erfindung soll diese Modifikationen und Varianten einschließen. Dass die detailliertere Beschreibung der Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf das Verfahren zur Blattverstellungsregelung erfolgt, ist der Tatsache geschuldet, dass die meisten der aktuellen Windkraftanlagen unter Anwendung dieses Verfahrens betrieben werden. Das erfindungsgemäße Blattverstellungssystem kann jedoch auch für die aktive Stallregelung verwendet werden.
  • 1 zeigt ein Blattverstellungssystem für eine Windkraftanlage mit drei Rotorblättern. Das System kann jedoch an eine beliebige Anzahl Rotorblätter angepasst werden. Jedes Rotorblatt ist mit einem separaten Blattverstel lungsantrieb 20, 21, 22 ausgestattet. In der Regel weist ein Blattverstellungsantrieb einen Elektromotor auf, der über ein Getriebe an ein Antriebskegelrad gekoppelt ist. Das Getriebe erhöht das vom Elektromotor erzeugte Drehmoment und reduziert die Drehzahl. Das Antriebskegelrad greift in ein Kulissenrad ein, das fest mit dem Rotorblatt verbunden ist. In dieser besonderen Ausführungsform werden die Drehstrommotoren 40, 41, 42 als Elektromotoren für jeden Blattverstellungsantrieb verwendet. Das erfindungsgemäße Konzept ist jedoch nicht auf Drehstrommotoren oder einen spezifischen Getriebetyp beschränkt, sondern lässt sich auf jeden als Blattverstellungsantrieb verwendbaren elektrischen Antrieb bzw. auf jedes andere verwendbare Getriebe übertragen.
  • Zum Antreiben der Elektromotoren werden die Leistungsregelungsmodule 60, 61, 62 jedem der Elektromotoren 40, 41, 42 zugeordnet. Diese drei Leistungsregelungsmodule steuern die Elektromotoren 40, 41, 42 und somit die Blattverstellungsantriebe 20, 21, 22.
  • Wenn ein solches System oder sogar nur ein Blattverstellungsantrieb bzw. Leistungsregelungsmodul ausfällt, kann der Rotor eventuell zu viel Energie aus dem Luftstrom aufnehmen und sich dadurch unkontrolliert drehen, was die Stabilität der gesamten Windkraftanlage gefährden kann. Insbesondere Leistungsregelungsmodule sind ausfallanfällig – beispielsweise bei Blitzschlag. Ist ein Leistungsregelungsmodul eines Rotorblatts funktionsgestört, ist eine fortlaufende Anpassung des Einstellwinkels dieses Rotorblatts nicht mehr möglich, und dies führt zu einem festen Einstellwinkel. Da die Leistungsaufnahme von dem Einstellwinkel abhängt, greift an jedem Rotorblatt eine andere Kraft an. Im schlimmsten Fall ist das ungeregelte Rotorblatt überlastet und destabilisiert die gesamte Windkraftanlage.
  • Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit durch das Hinzufügen von Redundanz kann der Blattverstellungsantrieb daher ein optionales oder Ersatz-Leistungsregelungsmodul 6' für den Fall einer Funktionsstörung eines der aktuell in Betrieb befindlichen Leistungsregelungsmodule aufweisen. Die elektrische Verbindung zwischen den drei Leistungsregelungsmodulen 60, 61, 62 und den Elektromotoren 40, 41, 42 der Blattverstellungsantriebe wird durch eine Schalteinheit 10 hergestellt. Zwischen den Leistungsregelungsmodulen 60, 61, 62, einschließlich des Ersatz-Leistungsregelungsmoduls 6', und den Blattverstellungsantrieben 20, 21, 22 ist in dieser besonderen Ausführungsform jede alternative Verbindung möglich. Um die Möglichkeit einer Beeinträchtigung zwischen den Leistungsregelungsmodulen auszuschließen, kann jeweils nur zwischen einem Blattverstellungsantrieb und einem Leistungsregelungsmodul eine Verbindung hergestellt werden. Zu diesem Zweck weist die Schalteinheit 10 Umschalter 50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c, 52a, 52b, 52c für jeden Blattverstellungsantrieb auf. Jeder der Umschalter hat zwei Eingänge und nur einen Ausgang und kann nur eine alternative Verbindung zwischen seinen-zwei Eingängen und seinem Ausgang herstellen. Die Eingänge der Umschalter 50b, 50c, 51b, 51c, 52b, 52c sind mit den drei Leistungsregelungsmodulen 60, 61, 62 bzw. mit dem Ersatz-Leistungsregelungsmodul 6' verbunden, während die Ausgänge dieser Umschalter mit den Eingängen der Umschalter 51a, 51a, 52a verbunden sind.
  • Die Verbindung zwischen den Leistungsregelungsmodulen und den Blattverstellungsantrieben ist nur aus Gründen der Vereinfachung als eine einzelne Leitung dargestellt. Es ist jedoch bekannt, dass Drehstrommotoren drei separate Phasen benötigen, die in den Figuren durch drei diagonale Schrägstriche an den Verbindungsleitungen angezeigt werden. Infolgedessen weist jeder Umschalter für jede Phase drei separate Schalter auf.
  • Zum Steuern der Drehstrommotoren der Blattverstellungsantriebe weist jedes Leistungsregelungsmodul Frequenzwandler 70, 71, 72, 7' auf, um einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln. Die Leistungsregelungsmodule können auch Mikrocontroller 80, 81, 82, 8' (wie beispielsweise in 3 dargestellt) zum Steuern der Frequenzwandler aufweisen. Mit den Frequenzwandlern lässt sich die Drehzahl und die Rotationsrichtung der Drehstrommotoren regeln, um den Einstellwinkel der Rotorblätter anzupassen.
  • Der Gleichstrom wird vom Gleichrichter 12 bereitgestellt, der den von einem Stromnetz bezogenen Wechselstrom gleichrichtet. Referenznummer 14 bezeichnet Schleifringe, welche die elektrische Verbindung zwischen dem Rotor und der Gondel der Windkraftanlage herstellen. Weitere Details des grundsätzlichen Aufbaus einer Windkraftanlage sind unten im Zusammenhang mit 5 beschrieben. An dieser Stelle ist anzumerken, dass das Blattverstellungssystem in der Regel in der Nabe des rotierenden Rotors untergebracht ist.
  • Das Blattverstellungssystem kann für den Fall, dass der Gleichrichter 12 ausfällt, einen optionalen oder Ersatzgleichrichter 12' aufweisen. In diesem Fall stellt eine optionale Schalteinheit 16 die Verbindung zwischen einem der zwei Gleichrichter und den Leistungsregelungsmodulen her. Eine zentrale Verwaltungseinheit 18 zum Betreiben des Blattverstellungssystems steuert die Schalteinheiten 10, 16 und überwacht die Leistungsregelungsmodule. Um die Windkraftanlage beispielsweise bei einem Verlust der Verbindung zum Versorgungsunternehmen oder zum Stromnetz zu betreiben, wird eine lokale Gleichstrom-Stromversorgung an die Leistungsregelungsmodule angeschlossen. Die lokale Gleichstrom-Stromversorgung kann Akkumulatoren und/oder Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, aufweisen.
  • Der Betrieb des erfindungsgemäßen Blattverstellungssystems wird im Zusammenhang mit 1 beschrieben. Es wird von der Annahme ausgegangen, dass die Leistungsregelungsmodule 70, 71, 72 ordnungsgemäß betrieben werden, und dass jedes Leistungsregelungsmodul mittels der Schalteinheit mit einem Blattverstellungsantrieb verbunden ist. Der Einfachheit halber soll das Leistungsregelungsmodul 70 mit dem Blattverstellungsantrieb 20, das Leistungsregelungsmodul 71 mit dem Blattverstellungsantrieb 21 und das Leistungsregelungsmodul 72 mit dem Blattverstellungsantrieb 22 verbunden sein. Die Leistungsregelungsmodule werden von der Verwaltungseinheit 18 überwacht, damit jede Funktionsstörung entdeckt wird. Falls eines der drei in Betrieb befindlichen Leistungsregelungsmodule beispielsweise durch Blitzschlag ausfällt, entscheidet die Verwaltungseinheit, wie auf dieses Ereignis reagiert werden soll. Da der Einstellwinkel der Rotorblätter aus Sicherheitsgründen jederzeit anpassbar sein sollte, muss die Windkraftanlage entweder abgeschaltet werden, oder das funktionsgestörte Leistungsregelungsmodul muss durch ein vollständig funktionsfähiges Modul ersetzt werden.
  • Falls das Leistungsregelungsmodul ausfällt oder in ir gendeiner Weise funktionsgestört ist, wird es von dem ihm zugeordneten Blattverstellungsantrieb getrennt, und dieser Blattverstellungsantrieb wird mittels der Schalteinheit 10 mit dem Ersatz-Leistungsregelungsmodul 6' verbunden. Für diesen Betriebsmodus, welcher die beste Flexibilität bietet, enthält das Blattverstellungssystem ein Ersatz-Leistungsregelungsmodul. Die Ersetzung des ausgefallenen Leistungsregelungsmoduls durch das Ersatz-Leistungsregelungsmodul 6' ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb der Windkraftanlage. Eine Notfallabschaltung ist nicht erforderlich. Dies ermöglicht eine Senkung der Betriebskosten und reduziert die Ausfallzeit. Das ausgefallene Leistungsregelungsmodul kann beim nächsten Wartungs- oder Servicetermin repariert werden. Zur Anzeige des Wartungsbedarfs kann die Verwaltungseinheit 18 einen Bericht an eine externe Service-Einheit senden.
  • In dem Fall, dass das Ersatz-Leistungsregelungsmodul nicht vorhanden oder bereits in Betrieb ist, bleibt ein sicheres Abschalten der Windkraftanlage möglich. Wenn die Funktionsstörung des Leistungsregelungsmoduls 60 von der Verwaltungseinheit 18 erkannt wird, werden die anderen, funktionierenden Leistungsregelungsmodule 61, 62 von der Verwaltungseinheit gesteuert 18, um den Einstellwinkel der ihnen zugeordneten Blattverstellungsantriebe 21, 22 an eine Parkstellung (Segelstellung) anzupassen. In einer Segelstellung wird die Anströmkante eines Rotorblatts in die Richtung des Winds gedreht. In einem nachfolgenden Schritt wird eines der funktionierenden Leistungsregelungsmodule, beispielsweise das Leistungsregelungsmodul 62, mittels der Schalteinheit 10 mit dem Blattverstellungsantrieb 40 und dem ausgefallenen Leistungsregelungsmodul 60 verbunden. Nach dem Verbinden des Blattverstellungsantriebs 40 mit dem Leistungsregelungsmodul 62 wird das letzte Rotorblatt ebenfalls in eine Parkstellung gebracht. Dieser Betriebsmodus ermöglicht ein sicheres und schnelles Abschalten der Windkraftanlage, wenn nicht mehr genügend in Betrieb befindliche Leistungsregelungsmodule verfügbar sind. Selbst in dem sehr unwahrscheinlichen Fall, dass nur noch ein Leistungsregelungsmodul vollständig funktionsfähig ist, ist ein sicheres und zuverlässiges Abschalten weiterhin möglich. Dazu wird das letzte vollständig funktionsfähige Leistungsregelungsmodul mittels der Schalteinheit 10 nacheinander mit jedem Blattverstellungsantrieb verbunden, um alle Rotorblätter nacheinander in eine Parkstellung zu bringen.
  • In Systemen, in denen die Anzahl der Blattverstellungsantriebe und Leistungsregelungsmodule identisch ist, lässt sich noch ein weiterer Betriebsmodus umsetzen. Jeder Blattverstellungsantrieb ist mit wenigstens einem weiteren Leistungsregelungsmodul verbunden, das im normalen Betriebsmodus bereits einen anderen Blattverstellungsantrieb steuert. Folglich steuert ein Leistungsregelungsmodul zwei Blattverstellungsantriebe gleichzeitig und ist daher mittels der Schalteinheit 10 mit zwei Blattverstellungsantrieben verbunden. Der Blattverstellungsantrieb, dessen primär zugeordnetes Leistungsregelungsmodul ausfällt, wird mit dem weiter betriebsbereiten Leistungsregelungsmodul eines anderen Blattverstellungsantriebs verbunden. Da die Leistungsregelungsmodule die von den Blattverstellungssystemen verbrauchte elektrische Leistung steuern, ist es für diesen Betriebsmodus vorteilhaft, dass die Leistungsregelungsmodule angemessen dimensioniert sind, damit bei der Zuordnung von zwei Blattverstellungsantriebe zu einem Leistungsregelungsmodul eine Überlastung vermieden wird.
  • Eine alternative Ausführungsform mit Drehstrommotoren ist in 2 dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau ähnelt dem in 1 dargestellten Aufbau mit der Ausnahme, dass die Schalteinheit 10 eine alternative Verbindung zwischen einem Blattverstellungsantrieb und dem zugeordneten Leistungsregelungsmodul oder dem Ersatz-Leistungsregelungsmodul ermöglicht. Das Ersatz-Leistungsregelungsmodul 6' ist hier zwingend erforderlich. Wenn ein Leistungsregelungsmodul ausfällt, wird es durch Umschalten zwischen dem ausgefallenen und dem Ersatz-Leistungsregelungsmodul von dem Ersatz-Leistungsregelungsmodul 6' ersetzt, wodurch ein fortlaufender Betrieb der Windkraftanlage ermöglicht wird. Hinzu kommt, dass die Verwaltungseinheit eine Nachricht an eine externe Service-Einheit senden kann, um die Funktionsstörung des Leistungsregelungsmoduls zu melden.
  • Eine weitere Ausführungsform wird in Zusammenhang mit 3 beschrieben, in der ein Blattverstellungssystem dargestellt ist, das Blattverstellungsantriebe mit Gleichstrommotoren enthält. Da sich die Steuerung des Gleichstrommotors von der Steuerung des Drehstrommotors unterscheidet, sind die entsprechenden Leistungsregelungsmodule mit den entsprechenden Thyristorreglern 80, 81, 82 und 8' ausgestattet. Die grundlegende Eigenschaft eines Thyristorreglern ist seine Fähigkeit, zwischen einem EIN-Zustand mit niedriger Impedanz und einem AUS-Zustand mit hoher Impedanz hin- und herzuschalten. Diese Eigenschaft ermöglicht eine einfache Steuerung des den Gleichstrommotoren zugeführten Gleichstroms. Anstelle von Thyristorreglern können optional Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode oder MOSFET-Transistoren (Metal Oxide Semiconductor Field Effect) zum Steuern der Gleichstrommotoren verwendet werden. Da das Versorgungsunternehmen oder das Stromnetz in der Re gel Dreiphasen-Wechselspannung bereitstellt, enthalten die Leistungsregelungsmodule Gleichrichter zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung. Die Verbindung zwischen den Leistungsregelungsmodulen und den Blattverstellungsantrieben ist nur aus Gründen der Vereinfachung als einzelne Leitung dargestellt. Es ist jedoch bekannt, dass Gleichstrommotoren zwei separate Phasen benötigen, die durch zwei diagonale Schrägstriche an den Verbindungsleitungen angezeigt werden. Infolgedessen weist jeder Umschalter für jede Phase zwei separate Schalter auf. Die anderen Komponenten entsprechen-grundsätzlich dem bereits in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Aufbau.
  • Aufgrund des ähnlichen Aufbaus ermöglicht das in 3 dargestellte Blattverstellungssystem dieselben Betriebsmodi wie das in 1 dargestellte Blattverstellungssystem. Bei einer Funktionsstörung an einem der Thyristorregler 80, 81, 82 wird der Ersatz-Thyristorregler 8' mittels der Schalteinheit 10 mit dem Blattverstellungsantrieb verbunden, dessen Leistungsregelungsmodul ausgefallen war. Eine bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebene Notfallabschaltung ist als Alternative möglich, wenn entgegen der vorliegenden Erfindung kein Ersatz-Leistungsregelungsmodul bereitgestellt wird.
  • Die in 4 dargestellte Ausführungsform ist das auf Gleichstrommotoren bezogene Äquivalent zu der in 2 dargestellten Ausführungsform. Wiederum werden die gleichen Betriebsmodi gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, die in Bezug auf 2 beschrieben wurden.
  • 5 stellt eine typische Windkraftanlage mit drei Rotorblättern dar, welche das erfindungsgemäße Blattver stellungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden kann. Das Blattverstellungssystem kann jedoch in jede Windkraftanlage mit aktiv geregeltem Einstellwinkel integriert werden. Die Windkraftanlage weist eine Gondel 102 auf, die an einem von einem Fundament 128 getragenen Turm 100 befestigt ist. In der Gondel ist ein Antriebsstrang zum Übertragen der Rotation eines Rotors 106 auf eine Antriebswelle 118 eines Generators 114 untergebracht. Der Antriebsstrang enthält eine Rotorwelle 104, die den Rotor 106 mit einem Getriebe 112 verbindet, um die Rotation der Antriebswelle 118 des Generators 114 zu erhöhen. Die Antriebswelle 118 wird häufig als schnelle Welle bezeichnet, und die Rotorwelle 104 ist als langsame Welle bekannt. Die Rotorwelle 104 ist mit der Nabe 108 des Rotors verbunden, die im Allgemeinen drei Rotorblätter 110 trägt. Das Getriebe kann optional ausgelassen werden, wodurch der Rotor 106 direkt mit dem Generator 114 verbunden wird. Diese Konfiguration ist als direkt angetriebener Generator bekannt. Der Generator 114 speist die generierte elektrische Energie über Stromkabel 124 mit einem Netzanschluss 126, in dem elektrotechnische Bauelemente wie ein Frequenzwandler und/oder Umspanner zum Einsatz kommen, in das Stromnetz ein. Es ist auch möglich, dass die elektrische Energie direkt von einem Verbraucher aufgenommen wird, ohne in ein öffentliches Stromnetz eingespeist zu werden.
  • Wenn ein ankommender Luftstrom 116 den Rotor 106 dreht, wird die kinetische Energie des Winds in Rotationsenergie des Rotors 106 umgewandelt und von dem Antriebsstrang auf den Generator übertragen, der die Rotationsenergie schließlich in elektrische Energie umwandelt.
  • Der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage hängt von vie len Parametern ab, u. a. von der Ausrichtung der Gondel oder, genauer gesagt, von der Position der Rotorebene in Bezug auf die Richtung des Luftstroms. Dies wird in der Regel von einem Azimutantrieb 122 gesteuert, der die Gondel im Wind ausrichtet. In modernen Windkraftanlagen bilden elektrische und mechanische Komponenten einen Azimutantrieb. Genauer gesagt ist ein schnell laufender Antriebsmotor an ein Getriebe mit einem Antriebskegelrad gekoppelt, das in ein Kulissenrad eingreift. Normalerweise sind der elektrische Antriebsmotor, das Getriebe und das Antriebskegelrad auf der Grundplatte 120 der Gondel montiert, während das Kulissenrad am Turm 100 befestigt ist. Zum Steuern des Azimutgetriebes dient ein Windsensor, der die Windrichtung messen kann.
  • Eine ähnliche Konfiguration findet auf einen Blattverstellungsantrieb 107 zum Anpassen des Einstellwinkels jedes der Rotorblätter 106 Anwendung. Auch dies wirkt sich dramatisch auf den Wirkungsgrad der Windkraftanlage aus.
  • Bei der Windkraftanlage mit drei Rotorblättern enthält das Blattverstellungssystem, wie beschrieben, drei Blattverstellungsantriebe und drei Leistungsregelungsmodule und kann ein oder mehrere optionale oder Ersatz-Leistungsregelungsmodule enthalten. In der Regel sind die Leistungsregelungsmodule innerhalb der Nabe in der Nähe der Blattverstellungsantriebe angeordnet. Da wegen der Rotation des Rotors 106 eine „normale" elektrische Verbindung mit Stromkabeln zwischen der Gondel 102 und dem Rotor 106 nicht möglich ist, werden Schleifringe 14 verwendet. In der Regel sind diese in Axialrichtung zu der Antriebswelle 104 ausgerichtet.
  • Nachdem die Erfindung in dieser Weise detailliert beschrieben wurde, sollte nachvollziehbar sein, dass vielfältige Modifikationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass vom Geltungsbereich der folgenden Ansprüche abgewichen wird.

Claims (10)

  1. Blattverstellungssystem für eine Windkraftanlage, das Folgendes aufweist: wenigstens einen Blattverstellungsantrieb (20, 21, 22) zum Ändern des Einstellwinkels eines Rotorblatts, wenigstens zwei Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') zum Steuern des Blattverstellungsantriebs (20, 21, 22), um den Einstellwinkel des Rotorblatts zu ändern, und wenigstens eine Schalteinheit (10) zum Verbinden des Blattverstellungsantriebs (20, 21, 22) mit jedem der zwei Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6').
  2. Blattverstellungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10) eine alternative Verbindung zwischen dem Blattverstellungsantrieb (20, 21, 22) und jedem der zwei Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') ermöglicht.
  3. Blattverstellungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blattverstellungssystem n Blattverstellungsantriebe (20, 21, 22) und wenigstens n Leistungsregelungsmodu le (60, 61, 62, 6') aufweist, wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist; und das n Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') mittels der Schalteinheit (10) mit den n Blattverstellungsantrieben (20, 21, 22) verbunden sind.
  4. Blattverstellungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (10) eine Verbindung eines beliebigen der n Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') mit ei nem beliebigen der n Blattverstellungsantriebe (20, 21, 22) ermöglicht.
  5. Blattverstellungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Blattverstellungssystem zusätzlich zu den n Leistungsregelungsmodulen wenigstens ein weiteres Leistungsregelungsmodul (6') aufweist, und die Schalteinheit eine Verbindung des weiteren Leistungsregelungsmoduls (6') mit jedem der n Blattverstellungsantriebe (20, 21, 22) ermöglicht.
  6. Blattverstellungssystem nach einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blattverstellungssystem wenigstens zwei Gleichrichter (12, 12') und eine optionale Schalteinheit (16) zum Verbinden der Gleichrichter (12, 12') mit den Leistungsregelungsmodulen (60, 61, 62, 6') aufweist.
  7. Blattverstellungssystem nach einem beliebigen der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blattverstellungssystem ferner eine Verwaltungseinheit (18) zum Steuern der Schalteinheit und/oder der optionalen Schalteinheit aufweist.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage Folgendes aufweist: wenigstens einen Blattverstellungsantrieb (20, 21, 22) zum Ändern des Einstellwinkels eines Rotorblatts, wenigstens zwei Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') zum Steuern des Blattverstellungsantriebs (20, 21, 22), um den Einstellwinkel des Rotorblatts zu ändern, und wenigstens eine Schalteinheit (10) zum alternativen Verbinden des Blattverstellungsantriebs (20, 21, 22) mit jedem der zwei Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6'). wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Überwachen desjenigen Leistungsregelungsmoduls, das gerade mit dem Blattverstellungsantrieb verbunden ist, um eine Funktionsstörung des Leistungsregelungsmoduls zu erkennen, b) im Falle des Erkennens einer Funktionsstörung das anschließende Trennen des fehlerhaften Leistungsregelungsmoduls von dem Blattverstellungsantrieb und Verbinden des Blattverstellungsantriebs mit dem anderen der zwei Leistungsregelungsmodule mittels der Schalteinheit.
  9. Verfahren für die Notfallabschaltung einer Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage Folgendes aufweist: wenigstens zwei Rotorblätter, wenigstens zwei Blattverstellungsantriebe (20, 21, 22) zum unabhängigen Ändern des Einstellwinkels der zwei Rotorblätter, wenigstens zwei Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') zum Steuern der zwei Blattverstellungsantriebe (20, 21, 22), um die Einstellwinkel zu ändern, und wenigstens eine Schalteinheit (10) zum alternativen Verbinden eines beliebigen der zwei Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') mit einem beliebigen der zwei Blattverstellungsantriebe (20, 21, 22), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Überwachen der zwei Leistungsregelungsmodule zum Erkennen einer Funktionsstörung der zwei Leistungsregelungsmodule, b) im Falle des Erkennens einer Funktionsstörung des einen der zwei Leistungsregelungsmodule anschließendes b1) Anpassen des Einstellwinkels desjenigen Rotorblatts, das ein funktionierendes Leistungsregelungsmodul aufweist, an eine Parkstellung, b2) Verbinden des funktionierenden Leistungsregelungsmoduls mit demjenigen Blattverstellungsantrieb, dessen Leistungsregelungsmodul funktionsgestört ist, mittels der Schalteinheit, und b3) Anpassen des Einstellwinkels des anderen Rotorblatts an eine Parkstellung.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage ferner eine Verwaltungseinheit (18) zum Steuern der Schalteinheit (10) und zum Überwachen der Leistungsregelungsmodule (60, 61, 62, 6') aufweist.
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