DE69901876T2 - Schwingungsfeststellungs- und steuerungssystem für windturbine - Google Patents

Schwingungsfeststellungs- und steuerungssystem für windturbine

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen und Kontrollieren von Schwingungen in einer direkt mit einem Stromversorgungsnetz gekoppelten Windturbine, wobei die Spannung und/oder der Strom an der Versorgungsnetzverbindung gemessen und daraus optional weitere Größen, wie beispielsweise die Scheinleistung, die Wirkleistung, die Blindleistung, der Leistungsfaktor oder cos(φ), abgeleitet werden (siehe US-A-4, 160,170, US-A-5,140,856, GB-A-2,096,770).
  • Die Entwicklung von Windturbinen führt zu zunehmend größeren Turbinen mit zunehmenden Nabenhöhen und Rotordurchmessern. Dies erzeugt eine Anzahl mechanischer Schwierigkeiten, verursacht durch die entsprechend niedrigeren natürlichen Resonanzfrequenzen und Dämpfungen der verwendeten Strukturen.
  • Des Weiteren zeigen bestimmte allgemein gebräuchliche Rotorblätter unter bestimmten meteorologischen Bedingungen eine Tendenz, komplexe Muster von Rotorblattschwingungen großer Amplitude auszubilden. Dies setzt die Rotorblätter einer inakzeptablen dynamischen Last aus, was ihre Lebensdauer verringert und die Sicherheit der Windturbine gefährdet.
  • Für die strukturelle Sicherheit der Windturbine und somit auch für die Sicherheit der Menschen ist es wesentlich, sowohl die Schwingungen der Rotorblätter der Windturbine als auch andere strukturelle Schwingungen der Windturbine detektieren und diese Schwingungen stoppen zu können, z. B. durch einen zeitweiligen Stillstand der Windturbine oder auf irgendeine andere Art.
  • Ein genereller Stillstand der Windturbine bei meteorologischen Bedingungen, welche offenbar die Schwingungsphänomene ermöglichen, ist keine praktikable Lösung, da er schädlich für den jährlichen Ertrag der Windturbine wäre. Daher ist es wünschenswert, im Stande zu sein, die Anwesenheit oder Abwesenheit der Schwingungsphänomene zu detektieren und die Steuerungsmittel der Windturbine so abzustimmen, dass jedes auftretende Schwingungsphänomen gestoppt wird, so dass die Windturbine den Normalbetrieb wieder aufnehmen kann, sobald das Schwingungsphänomen aufgehört hat.
  • Natürlich sind alle Windturbinen mit einer Vorrichtung ausgestattet worden, die im Stande ist, große Schwingungen zu detektieren und die Turbine durch Interaktion mit dem Notausschaltkreis der Windturbine zum Stillstand zu bringen. Allerdings ist diese Vorrichtung hauptsächlich dafür bestimmt, das Anhalten der Windturbine im Fall einer plötzlichen Unwucht des Rotors wie durch den Verlust einer Blattspitze oder im Fall eines strukturellen Schadens am Rotor nach einem Blitzschlag zu gewährleisten. Diese Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik kann Rotorblattschwingungen oder Mastschwingungen nicht detektieren, bis sie eine Amplitude erreicht haben, die eine unmittelbare Gefahr für die Windturbine darstellt. Weiterhin ist im Fall von Rotorblattschwingungen, auch wenn das Schwingungsphänomen eines einzelnen Blattes eine schädliche Amplitude erreicht, die resultierende Schwingung, wie sie z. B. am Rumpf der Windturbine gemessen wird, relativ klein, da das Phänomen im Allgemeinen gegenphasige Schwingungen an zwei von drei Rotorblättern umfasst. Daher ist eine solche Vorrichtung nicht geeignet, um eine solche schädliche Situation zu detektieren.
  • Weiterhin ist diese Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik allgemein nicht in der Lage, die Windturbine dazu zu bringen, den normalen Betrieb wieder aufzunehmen, sobald die Schwingungen aufgehört haben, da die Vorrichtung als Teil des Notausschaltkreises der Windturbine eingebaut ist.
  • Schließlich sind eigenständige Vibrationswächter bekannt, die in Windturbinen eingebaut werden können. Diese Wächter erlauben es, das Auftreten z. B. von Schwingungen mittlerer Amplitude zu detektieren, so dass die dynamische Last auf den Rotorblättern innerhalb akzeptabler Grenzen gehalten werden kann, vorausgesetzt, dass die Turbine auf Anweisung des Vibrationswächters angehalten werden kann. Jedoch sind diese eigenständigen Einheiten normalerweise ebenfalls in den Notausschaltkreis der Windturbine integriert und können somit die Windturbine ebenfalls nicht in den normalen Betrieb bringen, sobald die Schwingungen aufgehört haben.
  • Für den Zweck der Zulassung der Windturbine ist es außerdem wünschenswert, dass Detektion und Gegenmaßnahmen gegen Schwingungsphänomene bei einer kleinen Schwingungsamplitude von dem Windturbinen-Konstrollsystem ohne Abhängigkeit von externen Vorrichtungen selbst erledigt werden.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Detektion von Windturbinenschwingungen auf der Grundlage existierender Messsignale und zur Dämpfung dieser Schwingungen durch Mittel des Windturbinen-Kontrollsystems bereitzustellen.
  • Dieses Ziel wird durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art erreicht, bei dem eine Spektralanalyse von einer oder mehreren der gemessenen Größen oder daraus abgeleiteten Größen ausgeführt wird und die Amplitude der Windturbinenschwingungen auf Grundlage des Ergebnisses der Spektralanalyse bestimmt wird und Gegenmaßnahmen von dem Windturbinen-Kontrollsystem ergriffen werden, wenn die bestimmte Amplitude einen bestimmten Wert übersteigt, um die Schwingungsamplitude zu verringen.
  • Dies erlaubt die Detektion selbst kleiner Vibrationen oder Schwingungen ohne Einbeziehung externer Vorrichtungen durch Ausnutzung der Tatsache, dass die Vibrationen oder Oszillationen zu Variationen in den elektrischen Messungen, die bereits an der Windturbine durchgeführt werden, oder den daraus abgeleiteten Werten führen, und erlaubt, dass das Ergebnis der Detektion benützt wird, um die detektierten Vibrationen oder Schwingungen durch Mittel des Windturbinen-Kontrollsystems zu dämpfen.
  • Die abhängigen Ansprüche definieren zweckmäßige Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere definieren die abhängigen Ansprüche 4-10 zweckmäßige Verfahren des Entgegensteuerns bezogen auf den speziellen in einer Windturbine bereitgestellten Kontrollsystemtyp, um die Amplitude der detektierten Schwingungen zu verringern.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1, die eine Spektralanalyse einer aufgenommenen Messung einer Windturbine darstellt, weiter erklärt werden.
  • Ein Windturbinen-Kontrollsystem ist immer eingerichtet, um eine Anzahl von Messungen an der Versorgungsnetzverbindung der Turbine zu machen. Die Messungen werden teilweise aus betriebsbedingten Gründen und teilweise für die Datenerfassung und Statistik in Bezug auf den Betrieb der Windturbine getätigt. Zu diesem Zweck ist das Windturbinen-Kontrollsystem mit einer Anzahl von Messwertgebern zur Messung der Spannung und des Stroms der Phasen der Versorgungsnetzverbindung ausgestattet. Basierend auf dieser primären Messung von Spannung und Strom kann das Kontrollsystem weitere sekundäre Versorgungsnetzdaten berechnen, z. B. die Scheinleistung, die Wirkleistung, die Blindleistung, den Leistungsfaktor oder cos(φ).
  • Rotorblattschwingungen führen zu Vibrationen in Rumpf und Rotorwelle der Windturbine. Ebenso können im Fall von gegenphasigen Schwingungen an zwei von drei Rotorblättern Vibrationen im Rumpf gemessen werden und dies kann durch eine von der beteiligten Amplitude verursachten Asymmetrie (einer nichtlinearen Elastizität) verursacht sein. Somit wird das Drehmoment der Rotorwelle auch eine durch Rotorschwingungen erzeugte Komponente beinhalten.
  • Da die Rotorblattschwingungen eine Komponente im Drehmoment der Rotorwelle erzeugen, wird eine solche Komponente auch im Drehmoment der Generatorwelle auftreten und in einer Windturbine, bei welcher der Generator direkt mit dem Versorgungsnetz verbunden ist. Sie wird daher ebenso in den primären Messungen von Strom und/oder Spannung und in allen aus den primären Messungen abgeleiteten sekundären Versorgungsnetzdaten auftreten.
  • Erfindungsgemäß führt das Windturbinen-Kontrollsystem eine Spektralanalyse von einem oder mehreren dieser Datensätze und eine Mittelung einer Anzahl von Spektren durch. Dabei erscheinen die durch die Schwingungsphänomene erzeugten Fluktuationen des Drehmoments der Generatorwelle, wie in Fig. 1 gezeigt ist, als Säule oder als schmales Band von Säulen im Spektrum um die charakteristische Frequenz fc der Schwingungen. Die Amplitude der Säule im Spektrum zeigt dem Kontrollsystem die Amplitude der Rotorblattschwingungen an und stellt damit eine Grundlage für Entscheidungen über den Betrieb der Windturbine bereit.
  • Axiale Mastschwingungen, also Schwingungen in der longitudinalen Richtung der Hauptwelle, werden Fluktuationen in der scheinbaren Windgeschwindigkeit und damit ebenso Fluktuationen in den Drehmomenten von Rotor- und Generatorwelle erzeugen. Wie Rotorblattschwingungen können solche Fluktuationen in den primären Messdaten und in den aus den primären Messdaten abgeleiteten sekundären Messdaten detektiert werden. Durch eine Spektralanalyse werden diese Fluktuationen als Säule oder als schmales Band von Säulen im Spektrum um eine charakteristische Frequenz fo auftreten, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Amplitude dieser Säule zeigt die Amplitude der axialen Mastschwingungen an und stellt damit eine Grundlage für Entscheidungen über den Betrieb der Windturbine bereit.
  • Das erfindungsgemäße Kontrollsystem kann abhängig vom Typ der Windturbine und ihrer Ausstattung auf verschiedene Art arbeiten. Eine erste Art von Gegenmaßnahmen versucht, die Schwingungsphänomene durch Änderung der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors zu dämpfen, während eine zweite Art versucht, die Schwingungsphänomene durch Änderung der dynamischen Last der Windturbine zu verändern.
  • Für eine direkt an das Versorgungsnetz gekoppelte Windturbine beinhaltet die erste Art von Gegenmaßnahmen die Anwendung von Bremsen. Ob die Bremsen bis zum Stillstand angewendet werden, hängt von den Eigenschaften des verwendeten Bremssystems ab. Bestimmte Arten von Blattspitzenbremsen können nur bei Stillstand des Rotors zurückgesetzt werden; also muss der Rotor, wenn solche Arten verwendet werden, vor dem Neustart zum Stillstand gebracht werden. Wenn die Blattspitzenbremsen jedoch während der Rotation zurückgesetzt werden können, kann des Kontrollsystem einen fliegenden Neustart der Windturbine ausführen, sobald das Kontrollsystem detektiert hat, dass die Schwingungen abgeklungen sind.
  • Die Benutzung einer mechanischen Scheibenbremse ist bei Gegenmaßnahmen der ersten Art möglich, wobei man jedoch glaubt, dass eine solche Benutzung zu inakzeptabler Abnutzung der Bremse führt. Wenn die Turbine mit einer elektrisch kontrollierbaren Bremse (Retarder) ausgestattet ist, kann dies bei der Kontrolle vorteilhaft genutzt werden, wobei immer ein fliegender Neustart zulässig ist. Schließlich wird bei Windturbinen des aktiv überlastgesteuerten Typs das gesamte Blattprofil als Bremse genutzt, und bei einer Windturbine dieses Typs mit einem erfindungsgemäßen Kontrollsystem ist ein fliegender Neustart möglich.
  • Die zweite Art von Gegenmaßnahmen, wobei des Kontrollsystem durch Änderung der dynamischen Last entgegenwirkt, kann in überlastgesteuerten Windturbinen mit festem Neigungswinkel umfassen, dass das Kontrollsystem einen Gierwinkelfehler einführt, bis die Schwingungsphänomene verschwinden, woraufhin die Turbine den normalen Betrieb ohne Gierwinkelfehler wiederaufnimmt.
  • Die dynamische Last kann bei aktiv überlastgesteuerten Windturbinen durch die Veränderung des Blattneigungswinkels in eine negative Richtung, bis die Schwingungsphänomene verschwinden, verändert werden, woraufhin die Turbine den normalen Betrieb bei dem augenblicklich erforderlichen Neigungswinkel wiederaufnimmt. Für diesen Typ von Turbine kann das Kontrollsystem auch die Einführung eines Gierwinkelfehlers benutzen, falls es nötig ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Messen und Kontrollieren von Schwingungen in einer direkt mit einem Stromversorgungsnetz gekoppelten Windturbine, wobei die Spannung und/oder der Strom an der Versorgungsnetzverbindung gemessen und daraus optional weitere Größen, wie beispielsweise die Scheinleistung, die Wirkleistung, die Blindleistung, der Leistungsfaktor oder cos(), abgeleitet werden, gekennzeichnet durch die Schritte
- Ausführen einer Spektralanalyse von einer oder mehreren gemessenen Größen oder daraus abgeleiteten Größen,
- Bestimmen der Amplitude der Windturbinenschwingungen auf Grundlage der Spektralanalyse, und
- Abschwächen der Schwingungen durch von dem Windturbinen- Kontrollsystem durchgeführte Gegenmaßnahmen, falls eine bestimmte Schwingungsamplitude einen bestimmten Wert übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt Mitteln einer Anzahl von Spektren der Spektralanalyse.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwingungen, deren Amplituden bestimmt werden, Rotorblattschwingungen und/oder axiale Mastschwingungen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Abschwächungsschritt die Verringerung der Drehgeschwindigkeit des Rotors umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Abschwächungsschritt Abbremsen bis zum Stillstand gefolgt von einem Neustart umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Abschwächungsschritt Abbremsen bis die Amplitude der Schwingungen auf einen Wert kleiner als ein vorgegebener Wert reduziert worden ist umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Abschwächungsschritt eine Reduzierung der dynamischen Last umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Windturbine eine überlastgesteuerte Windturbine, welche bei Überlast angehalten wird, mit einem festen Neigungswinkel ist, und wobei der Abschwächungsschritt Anwenden eines Gierwinkelfehlers auf die Windturbine bis die Schwingungsamplitude unter einen bestimmten Wert abgefallen ist umfasst, woraufhin die Windturbine den normalen Betrieb ohne Gierwinkelfehler wiederaufnimmt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Windturbine eine aktiv überlastgesteuerte Windturbine, welche bei Überlast angehalten wird, mit einem variablen Neigungswinkel ist, wobei der Abschwächungsschritt Verändern des Blattneigungswinkels in eine negative Richtung bis die Schwingungsamplitude unter einen bestimmten Wert abgefallenen ist umfasst, woraufhin die Windturbine den normalen Betrieb bei dem augenblicklich erforderlichen Neigungswinkel wiederaufnimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Abschwächungsschritt weiterhin Anwenden eines Gierwinkelfehlers auf die Windturbine bis die Schwingungsamplitude unter einen bestimmten Wert abgefallen ist umfasst, woraufhin die Windturbine den normalen Betrieb ohne Gierwinkelfehler wiederaufnimmt.
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