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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Windkraftanlage und
insbesondere ein Blattverstellungssystem einer Windkraftanlage.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur
Steuerung der Schalteinheit und zur Überwachung der Leistungsregelungsmodule
kann das System zur Blattverstellungsregelung eine Verwaltungseinheit
aufweisen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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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:
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1 und 2 stellen
Ausführungsformen dar,
die Blattverstellungsantriebe mit einem Drehstrommotor enthalten;
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3 und 4 stellen
Ausführungsformen dar,
die Blattverstellungsantriebe mit einem Gleichstrommotor enthalten;
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5 stellt
den Aufbau einer Windkraftanlage dar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.