DE9006105U1

DE9006105U1 - Wind turbine with automatic torque control and limitation

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Original assignee: WECKER HEINRICH 4782 ERWITTE DE
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Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1990-08-30
Anticipated expiration: 2000-05-31

Description

Heinrich Wecker
Eeidkampstr. 18
4782 Erwitte-Hordd'orfHeinrich Wecker
Eeidkampstr. 18
4782 Erwitte-Horddorf

Description

<j/indkraftanlage mit selbsttätiger Drehmomentregelung und »begrenzung^/ <j/ind power system with automatic torque control and »limitation^/

Die Heuerung betrifft eine nit horizontaler Rotorwelle versehene Windkraftanlage, bei der in an sich bekannter Weise die Rotorblätter, um ihre Längsachse drehbar in einer Habe gelager,,, durch eine ke·??^ -trlsch In der hohlen Rotorwelle axial bewp^i.üre V^rstellstange abh*.&ldquor;gig von Eotordrehnoment xn ihrem An-?tellwinkel verändert wtrien kön? n.The invention relates to a wind turbine with a horizontal rotor shaft, in which the rotor blades, mounted in a housing so as to rotate about their longitudinal axis, can be adjusted in a manner known per se as a function of the motor torque by means of a cylindrical adjusting rod axially mounted in the hollow rotor shaft.

V/indkraftaniagen setzen sich als ?in<> Möglichkeit der Ausnutzung regenerativer Energiequellen, vorzugsweise zur Erzeugung von elektrischem Strom, in letzter Zelt mehr und mehr durch. Herausgebildet hat sich die Bauforra mit annähernd horizontaler Rotorachse und 2-3 Rotorblättern, nachgeschaltetem Zahnradgetriebe und Elektrogenerator. Der erzeugte Strom wird in ^r Kegel ins öffentliche Netz eingespeist. Sin großes Problem ist die regeltechnische Bewältigung der großen möglichen Leistungs-Bandbreite. Beginnend bei einer Mindest-Windgeschwindigkeit von ca. 3»5 n/s bis zur sog. Überlebenewindgeschv/indigkeit von ca. 50 n/s ergibt sich ein Bandbreitenfaktor von 50V?» 5 = 2.915, dem die Kindkraftanla^e eich durch Regelung oder rechtzeitige Abschaltung so anzupassen hat, daß keine Über] netting eintritt. Im Hinblick hierauf sind die marktgängigen Anlagen in fogende Kategorien einzuordnen:In recent times, wind turbines have become more and more popular as a way of using renewable energy sources, preferably for generating electricity. The design has developed with an almost horizontal rotor axis and 2-3 rotor blades, a gear drive and an electric generator. The electricity generated is fed into the public grid in a cone. A major problem is the control technology for managing the large possible power range. Starting with a minimum wind speed of approx. 3»5 n/s up to the so-called survival wind speed of approx. 50 n/s, this results in a bandwidth factor of 50V?» 5 = 2.915, to which the wind turbine must adjust by control or timely shutdown so that over-netting does not occur. With this in mind, the systems currently on the market can be classified into the following categories:

1. Anlagen mit liTALL-Kegelung und fester drehzahl1. Systems with liTALL taper and fixed speed

Hier sind die Rotorblatter starr an der Rotornabe befestigt. 1 oder 2 Asynchron-Generatoren laufen mit 1 oder 2 festen Drehzahlen direkt am Netz. Erreicht die Windgeschwindigkeit den We^t, der der Anlugen-Nennleietung entspricht, beginntHere the rotor blades are rigidly attached to the rotor hub. 1 or 2 asynchronous generators run directly on the grid at 1 or 2 fixed speeds. When the wind speed reaches the value corresponding to the nominal output of the turbine,

Strömung am Rotorblatt abzureißen, wodurch ein Überschreiten des zulässigen Rotordrehmoments verhindert werden soll. Ba dieser Vorgang nicht eehr präzise abläuft, ist eine sechanische und elektrische Überdimensionierung der Anlage erforderlich.The aim is to break off the flow at the rotor blade, which is intended to prevent the permissible rotor torque from being exceeded. If this process does not run very precisely, the system must be mechanically and electrically oversized.

Bei hoher· Windgeschwindigkeit«;:« -iai TALL-B^reich) sind die Rotorblätter dem Staudruck ausgesetzt, was eine entsprechende J>* nsionierung der Blätter v.nd ihrer Nabenbefestigung erfordert. Das Anlaufen aus dem Stand nach vorangegangener Piaute muß mit nicht anliegender Strömung erfolgen. Sasu irt eine höhere Kindestwindgeschwindigkeit als zum Beginn der Leistungsabgabe erforderlich. Es kommt daher vor, daß Zeiträume mit geringer, aber schon nutzbarer Leistung ungenutzt bleiben, oder es werden aufwendige Anlaufhilfen eingesetzt.At high wind speeds (in the TALL range) the rotor blades are exposed to dynamic pressure, which requires the blades and their hub attachment to be aligned accordingly. Starting from a standstill after a previous pitch must be carried out with no flow. This requires a higher initial wind speed than is required at the start of the power output. It can therefore happen that periods with low but already usable power remain unused, or expensive starting aids are used.

2. Anlagen mit variabler Drehzahl und halbstarrer Blattbefestigung 2. Systems with variable speed and semi-rigid blade attachment

"Halbstarr" bedeutet: vom Anlaufen bis zum Erreichen der Kennleistung bleibt der Blatt-Einsfellwinkel zur Nabe unverändert, also starr. Zur Leietungs- und Drehzahlbegrenzung werden bei Bedarf die Blattspitzen oder die gesamten Blätter, meistens durch Fliehkraft, so verstellt, daß eine Drehmoment- und/oder Drehzahlbegrenzung einsetzt."Semi-rigid" means: from start-up until the rated power is reached, the angle of the blade to the hub remains unchanged, i.e. rigid. To limit the power and speed, the blade tips or the entire blades are adjusted, usually by centrifugal force, so that a torque and/or speed limitation is set in.

Die variable Drehzahl wird möglich durch eine Entkoppelung der Generatorfrequenz von der Netzfrequenz durch einen Gleichetromzwischenkreis. Durch die Möglichkeit des Rotors, bei Zunahme der Windgeschwindigkeit dieser durch Drehzahlzunahme zu folgen, bleibt der Blattanstellwinkel weitgehend konstant im Bereich seiner günstigsten Gleitzahl £ . Erkauft wird dieser Vorteil mit recht umfangreicher Leistungselektronik zur Netz-Entkoppelung. Hinzu kommen Probleme bei der Einspeisung in schwache Netze durch dem Drehstrom überlagerte Oberwellen.The variable speed is made possible by decoupling the generator frequency from the grid frequency using a DC link. As the rotor is able to follow the wind speed by increasing its speed, the blade pitch angle remains largely constant in the range of its most favorable glide ratio £. This advantage is achieved at the cost of fairly extensive power electronics for grid decoupling. In addition, there are problems when feeding into weak grids due to harmonics superimposed on the three-phase current.

Due Anlaufverhalten entspricht den Anlagen unter 1.The start-up behaviour corresponds to the systems under 1.

3. Anlagen mit variabler Drehzahl und aktiver Blattverstellung3. Systems with variable speed and active blade adjustment

Die Drehzahländerung erfolgt wie unter 2. The speed change occurs as under 2.

Die Blattverstellung wird durch einen Steilantrieb vorgenommen und ermöglicht ein An- und Hochfahren der Anlage bei einsetzendem V/ind mit anliegender Strömung.The blade adjustment is carried out by a pitch drive and enables the system to be started and raised when V/ind sets in with an applied flow.

Im Btlllgeeetzten Zustand sind die Rotorblätter in Fahnenposition fixiert und bieten so dem Wind den kleinstmöglichen Widerstand.In the folded state, the rotor blades are fixed in the flag position and thus offer the least possible resistance to the wind.

Eingangs v/urde die große Leistungsbandbreite erwähnt, die eine V/indkraftanlage regelungstechnisch verkraften muß. Ausschlaggebend für ihre Wirtschaftlichkeit ist jedoch die Anzahl der innerhalb eines Zeitraums erzeugten Kilowattstunden, bezogen aufAt the beginning, the large power range that an industrial power plant must be able to cope with in terms of control technology was mentioned. However, the decisive factor for its economic efficiency is the number of kilowatt hours generated within a period of time, based on

2 eine spezifische Anlagengröße, z. B. kVa/m Rotorkreisfläche.2 a specific system size, e.g. kVa/m rotor area.

Je nach Standort und Anlagenauslegung lauft eine Windkraftanlage nur einen mehr oder weniger großen Bruchteil der Betriebezeit mit Nennleistung, da der Wind die weitaus meiste Zeit die zur Abgabe der Nennleistung erforderliche Geschv/imligkeit nicht erreicht.Depending on the location and system design, a wind turbine only runs at rated power for a greater or lesser fraction of the operating time, since the wind does not reach the speed required to deliver rated power most of the time.

Bestimmend für das Leistungsvermögen eines Windkraftrotors ist, neben seiner Drehzahl, das Drehmoment, das von den in Umfangerichtung wirkenden Luftkraftkomponenten der Rotorblätter erzeugt wird. Jie Luftkraft (Auftrieb) wird bestimmt vom profilspezifischen Auftriebsbeiwert c und der AnströmgeschwindigkeitThe performance of a wind turbine rotor is determined, in addition to its speed, by the torque generated by the circumferentially acting air force components of the rotor blades. The air force (lift) is determined by the profile-specific lift coefficient c and the approach flow velocity.

eiegg

dee betrachteten Blattelements. Der Auftriebsbeiwert c ist abhängig vom Anstellwinkel (Anströmwinkel), die Anströmgeschwindigkeit von der Windgesch\ indigkeit und der Umfangsgeschwindigkeit dee betrachteten Blattelenents. Der Anstellwinkel« und mit ihm der Auftriebsbeiwert c_Q ändern sich mit zunehmender Windge-the blade element under consideration. The lift coefficient c depends on the angle of attack (angle of attack), the flow velocity on the wind speed and the peripheral speed of the blade element under consideration. The angle of attack and with it the lift coefficient c _Q change with increasing wind speed.

3.3.

echvindigkeit (bei gleichbleibender Umfang sgeschv. indigkeit): oc wird größer, c v.ird gröber oder kleiner, je nach Auegangspunktechnidigkeit (with constant circumference sgev. indigkeit): oc becomes larger, c becomes coarser or smaller, depending on the starting point

elel

im Polardiagramm. Der Bereich größtmöglicher Leistung ist begrenzt auf den Punkt der besten Profilgleitzahl £. Die 1 aufgeführten Anlagen können nur bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit in diesem Bereich arbeiten.in the polar diagram. The range of maximum performance is limited to the point of the best profile glide ratio £. The 1 systems listed can only work in this range at a certain wind speed.

Die Anlagen unter 2. u. 3. erreichen durch ihre Drehzahländerung ein Annähern an den optimalen Betriebepunkt. Während kurzzeitiger Windgeschwindigkeiteänderungen (Böen) rufen trägheitebehaftete Beschleunigungen/Verzögerungen der rotierenden Nassen allerdings Abweichungen vom optimalen Betriebspunkt hervor.The systems under 2. and 3. achieve an approach to the optimal operating point by changing their speed. During short-term changes in wind speed (gusts), however, inertial accelerations/decelerations of the rotating turbines cause deviations from the optimal operating point.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es, unter Verwendung der unter 1. genannten direkten Netz-Ankoppelung eine Rotorblattverstellund-regeleinrichtung zu verwirklichen, die ein unmittelbares, verzögerungsarmes Anpassen der Blattanstellwinkel an sich ändernde Windgeschwindigkeiten ermöglicht, mit den Zielen: a) ständiges Optimieren dee Profilanstellwinkels im gesamten Teillastbereich, b) Begrenzen und Konstanthalten der Nennleistung bei höheren Windgeschwindigkeiten, als für die Nennleistung erforderlich; 'The purpose of this innovation is to implement a rotor blade adjustment and control device using the direct grid connection mentioned under 1., which enables immediate, low-delay adjustment of the blade pitch angle to changing wind speeds, with the following objectives: a) constant optimization of the profile pitch angle in the entire partial load range, b) limiting and keeping the nominal power constant at higher wind speeds than required for the nominal power; '

Die Lösung der Aufgabenstellung geschieht wie folgt: Auf einem Mast (1) ist in bekannter Weise eine um die Kastachse drehbar gelagerte Grundplatte (2) angeordnet. Diese besitzt an der dem Rotor zu- bzw. abgewandten Seite je einen Lagerbock (3,4) mit je einer Bohrung. Die Bohrungen nehmen Lagerzapfen auf, die mit der Maschinenplatte (5) fest verbunden sind. Die gedachte Verbindungslinie der beiden Lagerstellen beschreibt die Lage einer Achse, die etwa parallel zur Rotorwelle (6) verläuft. Um diese Achse kann die Maschinenplatte (5) mit der aufmontierten Einheit (Generator 7, Getriebe 8) Kippbewegungen ausführen. Diesen Bewegungen wird ein wegabhängiger Widerstand entgegengesetzt durch Druckfedern (9)» die unter, zwischen und über den durchbohrten Ausbuchtungen (10) der Grundplatte (2) und der Maechinenplatte (5) angeordnet und von einem durchgehenden Spannbolzen (11) mit an jedem seiner beiden Enden axial gesicherten Druckplatten (12) gehalten werden. Auf der mit einer durchgehenden konzentrischen Bohrung versehenen Rotorwelle (6) sitzt -verdrehfest- die Rotornabe (13). Sie hat pro Rotorblatt (14) 1 Bohrung (15) zur Aufnahme-derThe task is solved as follows: A base plate (2) is mounted on a mast (1) in a known manner, which can rotate around the frame axis. This has a bearing block (3, 4) with a hole on each side facing the rotor and away from it. The holes accommodate bearing pins that are firmly connected to the machine plate (5). The imaginary connecting line between the two bearing points describes the position of an axis that runs approximately parallel to the rotor shaft (6). The machine plate (5) with the unit mounted on it (generator 7, gear 8) can perform tilting movements around this axis. These movements are counteracted by a path-dependent resistance by compression springs (9) that are arranged under, between and above the drilled recesses (10) of the base plate (2) and the machine plate (5) and are held by a continuous clamping bolt (11) with axially secured pressure plates (12) at each of its two ends. The rotor hub (13) is mounted on the rotor shaft (6) which has a concentric bore through it and is secured against rotation. It has one bore (15) per rotor blade (14) to accommodate the

Blattverstellagerung. Die von der Blattveretellagerung gehaltene Blatvwelle (16), die am von der Rotornabe weg weisenden Ende mit dem Rotorblatt (14) verbunden let, trägt am nabenseitigen Ende den kraftechlüesig aufgeklemmten Blattverstellhebel (17). Dieser iet durch ein Kardangelenk (18) mit der Verste.lletange (19) verbunden. Die Verstelletange ist mit ihrem anderen Ende durch eine Bohrung der Versteliplatta (20*) geführt und dort axial fixiert mit begrenzter, gummigedämpfter Seitenbeweglichkeit. Die Verstellplatte (20) ist mittig mit der Zentralverstelletange (21) verbunden. Diese wird in der konzentrischen Bohrung der Rotorwelle axial beweglich geführt und weist an ihrem anderen Ende ein Axiallager (22) auf, verbunden mit einer Gelenkgabel (23), die mit einem auf der Wells (24) befestigten Hebel (25) in Wirkverbindung steht. Die Welle (24) ist in den beiden Lagerbö.cken (2b) drehbar gelagert und hat an ihrem 2. Ende einen Hebel 27, der über eine gelenkig verbundene Stange 28 mit dem Winkelhebel (29) in Wirkverbindung steht. Dieser ist schwenkbar um den an der Grundplatte (2) befestigten Zapfen ,(3C). Geschwenkt wird der Winkelhebel durch die Kolbenzylindereinheit (31). Diese einseitig von Druckmedium beaufschlagte Einheit hat die Stellungen "Kolbenstange ganz ausgefahren" (Betrieb) und"Kolbenstange ganz eingefahron" (Stillstand). Das Einfahren der Kolbenstange erfolgt bei druckloeem Rückfluß des Druckmediums durch die Zugfeder (32).Blade adjustment bearing. The blade shaft (16) held by the blade adjustment bearing, which is connected to the rotor blade (14) at the end pointing away from the rotor hub, carries the force-locked blade adjustment lever (17) at the hub end. This is connected to the adjustment rod (19) by a universal joint (18). The other end of the adjustment rod is guided through a hole in the adjustment plate (20*) and is axially fixed there with limited, rubber-damped lateral movement. The adjustment plate (20) is connected centrally to the central adjustment rod (21). This is guided axially movably in the concentric hole in the rotor shaft and has an axial bearing (22) at its other end, connected to a joint fork (23) which is operatively connected to a lever (25) attached to the shaft (24). The shaft (24) is rotatably mounted in the two bearing blocks (2b) and has a lever 27 at its second end, which is operatively connected to the angle lever (29) via an articulated rod 28. This can be pivoted around the pin (3C) attached to the base plate (2). The angle lever is pivoted by the piston-cylinder unit (31). This unit, which is pressurized on one side by the pressure medium, has the positions "piston rod fully extended" (operation) and "piston rod fully retracted" (standstill). The piston rod is retracted when the pressure medium flows back without pressure by the tension spring (32).

In der Betriebestellung sind die Rotorblätter über die beschriebene Verstellkinematik so positioniert, daß sie bei Rotornenndrehzahl und niedrigster Betriebswindgeschwindigkeit mit optimalem Profil-Anstellwinkel laufen (= max. Profilgleitzahl £). Steigt die Windgeschwindigkeit, vergrößern eich dadurch Profil-Anstellwxiikel und -Anströmgeschwindigkeit. Beides ruft eine Erhöhung dee Auftriebsbeiwertes c_ und damit auch des Auftriebes und der drehmomenterzeugenden Luftkraftkomponente hervor. Das steigende Rotordrehmoment bewirkt ein im gleichen Maße steigendes Moment der Einheit (5,7,8) um die Kipplagerung (3,4). Die Ausbuchtungen 10 mit den Druckfedern (9) und dem Spannbolzen (11) wirken als nachgiebige Drelunomentabstützung. Die NachgiebigkeitIn the operating position, the rotor blades are positioned using the adjustment kinematics described so that they run at the nominal rotor speed and the lowest operating wind speed with the optimum profile angle of attack (= max. profile glide ratio £). If the wind speed increases, the profile angle of attack and the approach flow speed increase. Both cause an increase in the lift coefficient c_ and thus also in the lift and the torque-generating aerodynamic force component. The increasing rotor torque causes a correspondingly increasing moment of the unit (5,7,8) around the tilting bearing (3,4). The bulges 10 with the compression springs (9) and the clamping bolt (11) act as a flexible torque support. The flexibility

erfolgt entsprechend der Kennlinie der Druckfeder (9). Die Kennlinie ist so ausgelegt, daß beim Nachgeben durch Drehnomentzunahme Über die beschriebene Verstellkinematik eine Blattverstellung in Richtung "Verkleinerung des Anstellwinkels" herbeigeführt wird. Der Verstellwe/&tgr; ist so bemessen, daß der sich einstellende Beharrungs-Betriebspunkt immer im Bereich der besten Profiigleitzahl£ liegt, Der umgekehrte Vorgang spielt sich bei einer Abnahne der Windgeschwindigkeit ab. An diesen während der Betriebes ständig ablaufenden Repelvorgängan ist die Kolbenzylindfireinheit (51) mit der Zugfeder (32) und dem Winkelhebel (29) nicht beteiligt, üie v/ird nur bein Anfahren und 3tillse?zen der Anlage benötigt. Während der hifcr beschriebenen Regelvorgänge ist c'ias Gelenk (33) des Winkelhebels (29) als grundplattenfester Anlankpunkt der Stange (2fi) zu betrachten.is carried out according to the characteristic curve of the compression spring (9). The characteristic curve is designed in such a way that when the torque increases, the blade is adjusted in the direction of "reducing the angle of attack" using the adjustment kinematics described. The adjustment value/τ is dimensioned in such a way that the resulting steady-state operating point is always in the area of the best profile glide ratio. The reverse process takes place when the wind speed decreases. The piston-cylinder unit (51) with the tension spring (32) and the angle lever (29) is not involved in these repelling processes, which are constantly taking place during operation; it is only needed when starting up and shutting down the system. During the control processes described above, the joint (33) of the angle lever (29) is to be regarded as the anchor point of the rod (2fi) fixed to the base plate.

Das 1. Ziel der Regelung, ein ständiges, Verzögerungsarnes Optimieren der Blattanströmung, gilt für den Teillastbereich. Das 2. Ziel ist die Leistungsbegrenzung bei Windgeschwindigkeiten, die gröber als die I.'ennwindgeschwindigkeit sind. Hierzu wird, sobald die Nennleistung erreicht ist, der Profilanstellwinkel soweit zurückgenommen, daß nur ein Rotordrehmonent entsprechend der Kennleistung erzeugt wird. Erreicht wird dies durch eine entsprechende V/ahl des Kennlinienverlaufs der Druckfedern (9) und einen hierzu passenden Verlauf des fberseizungf-Verhältnisses der beschriebenen Verstellkineratik. Anstelle der Druckfedern (9) können auch Gewichte verwendet werden, die, an einem Hebelarm befestigt, die erforderliche Reaktionskraft erzeugen.The first aim of the control, a constant, delay-free optimization of the blade flow, applies to the partial load range. The second aim is to limit the power at wind speeds that are greater than the nominal wind speed. To this end, as soon as the nominal power is reached, the profile angle of attack is reduced to such an extent that only a rotor torque corresponding to the nominal power is generated. This is achieved by a corresponding choice of the characteristic curve of the compression springs (9) and a matching curve of the over-separation ratio of the described adjustment kinematics. Instead of the compression springs (9), weights can also be used which, when attached to a lever arm, generate the required reaction force.

Gegenüber den bekannten Regelungsverfahren sind folgende Vorteile zu nennen:Compared to the known control methods, the following advantages can be mentioned:

- durch nicht vorhandene aufwendige Regelungstechnik verzögerungsanne Anstellwinkeloptimierung and geringe Strukturbelastung ;- due to the lack of complex control technology, delay-free angle of attack optimization and low structural load;

- Leichtbauweise;- Lightweight construction;

- durch einfache Technik hohe Eigensicherheit;- high intrinsic safety through simple technology;

- hohe Leistungsausbeute im Teillastbereich;- high power output in the partial load range;

- kein Abschalten der Anlage bei hohen Windgeschwindigkeiten»- no shutdown of the system at high wind speeds»

Claims

Heinrich Wecker Heidkaapstr. 18 4782 Erwitte-Norddorf Protection claims

1. Wind power plant with automatic torque control and limitation, consisting of a base plate (2) arranged on a vertical mast so as to be rotatable about its vertical axis, with bearing blocks (3,4) attached to it for receiving the bearing journals attached to the machine plate (5), the gearbox (8) attached to the machine plate with flanged

Generator (7), the rotor shaft (6) with rotor hub (13) attached thereto with a number of holes (15) corresponding to the number of rotor blades for receiving the bearing for the rotor blades (14) adjustable around their longitudinal axis,

characterized,

that there is an operative connection from the articulation point (33) which is fixed to the base plate during operation via the connecting rod (28), the levers (25, 27) attached to the shaft (24), the fork piece (23), the axial bearing (22), the central adjustment rod (21), the adjustment plate (20), the adjustment rod (19), the universal joint (18), to the blade adjustment lever (17).

2. Wind turbine according to claim 1
characterized,

that an elastic support (9) is arranged between the bulges (10) of the machine plate (5) and the base plate (2).

3. Wind power plant according to claims 1 and 2, characterized in that

that, instead of the elastic support (9), weights are attached to the upper bulge (10).

ft · 4

m ft *

4. Wind turbine according to claims 1-3, characterized in that

that the purely mechanical transmission elements for blade adjustment described here are completely or partially replaced by hydraulic or pneumatic actuators.