EP3870849A1

EP3870849A1 - Steuerung einer windenergieanlage

Info

Publication number: EP3870849A1
Application number: EP19786779.9A
Authority: EP
Inventors: Jens Geisler
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-09-01
Also published as: US20210340957A1; DE102018008391A1; CN112888853A; WO2020083656A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage, die einen um eine Rotorachse (R) drehbaren Rotor (10) mit wenigstens einem Rotorblatt (11) und einen damit gekoppelten Generator (20) aufweist, umfasst die Schritte: - Erfassen (S10) eines Wertes eines Vorfeld-Parameters, insbesondere Vorfeld- Wind-Parameters, der zu einem ersten Zeitpunkt in einem ersten Bereich (A) vorliegt, der einen ersten Abstand (a) von der Windenergieanlage, insbesondere dem Rotorblatt, aufweist, insbesondere einer Wertefolge des Vorfeld-Parameters bis zu dem ersten Zeitpunkt, mithilfe wenigstens eines Sensors (40); und - Steuern (S30) des Generators und/oder wenigstens eines Aktors (12, 32) der Windenergieanlage auf Basis dieses erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere dieser erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und einer maschinell gelernten Zuordnung eines prognostizierten Nahfeld-Parameters, insbesondere Nahfeld-Wind-Parameters, an der Windenergieanlage und/oder eines für einen späteren zweiten Zeitpunkt prognostizierten Betriebsparameters der Windenergieanlage und/oder einer Steuergröße des Aktors und/oder Generators zu dem Vorfeld-Parameter bzw. Vorfeld-Parameter-Folgen.

Description

Steuerung einer Windenergieanlage

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Steuern einer Windenergieanlage sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens.

Windenergieanlagen mit Rotoren und damit gekoppelte Generatoren können durch Steuern des Generators sowie diverser Aktoren, die beispielsweise Rotorblätter um ihre Längsachsen oder den Rotor lagernde Gondeln um eine Gierachse verdrehen, an sich ändernde Umgebungsbedingungen, insbesondere variierende Windgeschwindigkeiten, angepasst werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Betrieb, insbesondere die Performance, von Windenergieanlagen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 11 , 12 stellen ein System bzw. Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Windenergieanlage einen um eine Rotorachse drehbar (gelagert)en Rotor mit einem oder mehreren, in einer Ausführung wenigstens zwei und/oder höchstens fünf, Rotorblättern und einen mit dem Rotor, in einer Ausführung über ein Getriebe, gekoppelten Generator.

In einer Ausführung ist der Rotor (drehbar) an, insbesondere in, einer Gondel gelagert, die ihrerseits in einer Weiterbildung, insbesondere drehbar, an, insbesondere auf, einem Turm gelagert ist.

In einer Ausführung schließt die Rotorachse mit der Vertikalen bzw. Gravitationsrichtung einen Winkel ein, der wenigstens 60° und/oder höchstens 120° beträgt, in einer

Weiterbildung ist sie, wenigstens im Wesentlichen, horizontal. Rotor bzw. Gondel sind in einer Ausführung um eine Gierachse drehbar, insbesondere an dem Turm gelagert, wobei die Gierachse in einer Ausführung mit der Rotorachse einen Winkel einschließt, der wenigstens 60° und/oder höchstens 120° beträgt, in einer

Weiterbildung ist sie, wenigstens im Wesentlichen, vertikal. Für solche Windenergieanlagen kann die vorliegende Erfindung aufgrund ihrer Umgebungsbedingungen und Betriebszustände besonders vorteilhaft verwendet werden.

Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Steuern der Windenergieanlage den Schritt auf: Erfassen eines Wertes eines ein- oder mehrdimensionalen Vorfeld-Parameters, insbesondere eines ein- oder mehrdimensionalen Vorfeld-Wind-Parameters, der zu einem ersten Zeitpunkt in einem ersten Bereich vorliegt bzw. herrscht, der, insbesondere in Richtung der Rotorachse, einen ersten, insbesondere minimalen oder mittleren, Abstand größer Null von der Windenergieanlage, insbesondere dem bzw. den Rotorblättern, aufweist, insbesondere (in Richtung der Rotorachse) stromaufwärts bzw. vor dem bzw. den Rotorblättern angeordnet ist, mithilfe eines oder mehrerer Sensoren, in einer Ausführung Erfassen einer Wertefolge des Vorfeld-Parameters bis zu dem ersten Zeitpunkt mithilfe des bzw. der Sensoren.

Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren den Schritt auf: Steuern des Generators und/oder eines oder mehrerer Aktoren der Windenergieanlage auf Basis dieses erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere dieser erfassten Vorfeld- Parameter-Wertefolge, und einer maschinell gelernten Zuordnung.

Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ordnet diese maschinell gelernte Zuordnung zu dem bzw. Werten des Vorfeld-Parameter(s) bzw. Vorfeld-Parameter- (Werte)Folgen (jeweils) einen, insbesondere für einen späteren zweiten Zeitpunkt, prognostizierten ein- oder mehrdimensionalen Nahfeld-Parameter(wert), insbesondere ein- oder mehrdimensionalen Nahfeld-Wind-Parameter(wert), an der Windenergieanlage zu.

Mit anderen Worten wird bzw. ist ein Zusammenhang zwischen dem Vorfeld-Parameter bzw. Vorfeld-Parameter-Folgen, der bzw. die in dem um den ersten Abstand von der Windenergieanlage beabstandeten, insbesondere vor dem bzw. den Rotorblättern angeordneten, ersten Bereich (bis) zu dem ersten Zeitpunkt vorliegt/vorliegen bzw. mittels des bzw. der Sensoren erfasst wird/werden, und dem Nahfeld-Parameter, der sich zu einem bzw. dem späteren zweiten Zeitpunkt voraussichtlich an der Windenergieanlage einstellt bzw. ergibt, maschinell gelernt.

Hierdurch kann der Nahfeld-Parameter in einer Ausführung, insbesondere aufgrund der Schwierigkeit, diesen Zusammenhang mathematisch bzw. theoretisch zu modellieren, besonders vorteilhaft, insbesondere schnell(er), zuverlässig(er) und/oder präzise(r) prognostiziert und so der bzw. die Aktoren und/oder der Generator vorteilhaft vorausschauend gesteuert werden, was insbesondere aufgrund der bei diesem Steuern inhärenten bzw. auftretenden, insbesondere mechanischen, hydraulischen, elektrischen und/oder Signal- und/oder rechentechnischen, Trägheiten, insbesondere Totzeiten oder dergleichen, besonders vorteilhaft sein kann.

Zusätzlich oder alternativ ordnet nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung die maschinell gelernte Zuordnung zu dem bzw. Werten des Vorfeld-Parameter(s) bzw. Vorfeld- Parameter-(Werte)Folgen (jeweils) einen für einen späteren zweiten Zeitpunkt prognostizierten ein- oder mehrdimensionalen Betriebsparameter(wert) der Windenergieanlage zu.

Mit anderen Worten wird bzw. ist ein Zusammenhang zwischen dem Vorfeld-Parameter bzw. Vorfeld-Parameter-Folgen, der bzw. die in dem um den ersten Abstand von der Windenergieanlage beabstandeten ersten Bereich (bis) zu dem ersten Zeitpunkt vorliegt/vorliegen bzw. mittels des bzw. der Sensoren erfasst wird/werden, und dem Betriebsparameter, der sich zu dem späteren zweiten Zeitpunkt voraussichtlich in der Windenergieanlage einstellt bzw. ergibt, maschinell gelernt.

Hierdurch kann der Betriebsparameter in einer Ausführung, insbesondere aufgrund der Schwierigkeit, diesen Zusammenhang mathematisch bzw. theoretisch zu modellieren, besonders vorteilhaft, insbesondere schnell(er), zuverlässig(er) und/oder präzise(r) prognostiziert und so der bzw. die Aktoren und/oder der Generator vorteilhaft vorausschauend gesteuert werden, was insbesondere aufgrund der bei diesem Steuern inhärenten bzw. auftretenden, insbesondere mechanischen, hydraulischen, elektrischen und/oder Signal- und/oder rechentechnischen, Trägheiten, insbesondere Totzeiten oder dergleichen, besonders vorteilhaft sein kann.

In einer Ausführung umfasst das Verfahren die Schritte:

- Prognostizieren des Nahfeld-Parameter(werte)s und/oder Betriebsparameter(werte)s auf Basis des erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes bzw. der erfassten Vorfeld-Parameter- Wertefolge und der maschinell gelernten Zuordnung; - Ermitteln einer ein- oder mehrdimensionalen Steuergröße des bzw. der Aktoren und/oder des Generators auf Basis dieses prognostizierten Nahfeld-Parameters und/oder Betriebsparameters, in einer Ausführung mithilfe eines Reglers; und

- Steuern des bzw. der Aktoren und/oder des Generators auf Basis dieser ermittelten Steuergröße.

Mit anderen Worten wird in einer Ausführung mehrstufig zunächst der Nahfeld- bzw. Betriebsparameter auf Basis der maschinell gelernten Zuordnung für den zweiten Zeitpunkt prognostiziert und dann, insbesondere mithilfe eines, gegebenenfalls konventionellen, Reglers, der bzw. die Aktoren bzw. der Generator (vorausschauend) gesteuert. Hierdurch können in einer Ausführung konventionelle Regler, die auf Basis des Nahfeld- bzw. Betriebsparameters arbeiten, verwendet und/oder die Sicherheit beim Betrieb der Windenergieanlage erhöht werden.

Gleichermaßen kann auch die Regelung in die maschinell gelernte Zuordnung integriert bzw. maschinell (mit)gelernt werden. Hierdurch kann in einer Ausführung die Steuerung des bzw. der Aktoren bzw. des Generators (weiter) verbessert werden. Zur kompakteren Darstellung wird auch ein(e) Regel(u)n(g) bzw. Steuer(u)n(g) unter Berücksichtigung rückgeführter Ist- Größen verallgemeinernd als Steuer(u)n(g) bezeichnet.

Insbesondere hierzu ordnet nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung die maschinell gelernte Zuordnung zu dem bzw. Werten des Vorfeld-Parameter(s) bzw. Vorfeld- Parameter-(Werte)Folgen (jeweils) eine ein- oder mehrdimensionalen Steuergröße des Aktors bzw. der Aktoren bzw. für den/die Aktor(en) und/oder des bzw. für den Generator(s) zu.

Mit anderen Worten wird bzw. ist ein Zusammenhang zwischen dem Vorfeld-Parameter bzw. Vorfeld-Parameter-Folgen, der bzw. die in dem um den ersten Abstand von der Windenergieanlage beabstandeten ersten Bereich (bis) zu dem ersten Zeitpunkt vorliegt/vorliegen bzw. mittels des bzw. der Sensoren erfasst wird/werden, und der Steuergröße, auf deren Basis der bzw. die Aktoren und/oder der Generator gesteuert werden, maschinell gelernt. Hierdurch kann die Steuergröße in einer Ausführung, insbesondere aufgrund der Schwierigkeit, diesen Zusammenhang mathematisch bzw. theoretisch zu modellieren, besonders vorteilhaft, insbesondere schnell(er), zuverlässig(er) und/oder präzise(r) prognostiziert und so der bzw. die Aktoren und/oder der Generator vorteilhaft vorausschauend gesteuert werden, was insbesondere aufgrund der bei diesem Steuern inhärenten bzw. auftretenden, insbesondere mechanischen, hydraulischen, elektrischen und/oder Signal- und/oder rechentechnischen, Trägheiten, insbesondere Totzeiten oder dergleichen, besonders vorteilhaft sein kann.

In einer Ausführung misst/messen der bzw. einer oder mehrere der Sensor(en jeweils) linienartig bzw. längs einer sogenannten „Line-of-sight“ und/oder berührungslos, insbesondere optisch, akustisch und/oder elektromagnetisch, in einer Weiterbildung ist/sind der bzw. einer oder mehrere der Sensor(en jeweils) ein LIDAR-Sensor, SODAR-Sensor, RADAR-Sensor oder dergleichen.

Hierdurch können in einer Ausführung der Vorfeld-Parameter(wert) bzw. die Vorfeld- Parameter-(Wert)folge einerseits besonders vorteilhaft, insbesondere schnell(er), zuverlässig(er) und/oder präzise(r), erfasst werden. Andererseits kann die vorliegende Erfindung bei solchen Sensoren bzw. Messungen mit besonderem Vorteil eingesetzt werden, insbesondere aufgrund der Beschränkung auf eine Windgeschwindigkeitskomponente längs der Line-of-sight. Zusätzlich oder alternativ ist/sind in einer Ausführung der bzw. einer oder mehrere der Sensor(en jeweils) an der Windenergieanlage, insbesondere dem Rotor, der Gondel oder dem Turm angeordnet.

Durch eine gondelseitige Anordnung kann in einer Ausführung vorteilhaft jeweils ein erfasstes Vorfeld mit dem Rotor mitbewegt bzw. -gedreht werden, durch eine rotorseitige Anordnung in einer Ausführung vorteilhaft eine Sichtfeldstörung durch Rotorblätter vermieden werden, durch eine turmseitige Anordnung in einer Ausführung der bzw. die Sensoren vorteilhaft angebunden werden.

In einer Ausführung hängt der Vorfeld-Wind-Parameter von einer Windgeschwindigkeit, insbesondere Windrichtung und/oder -stärke, an einer oder mehreren Stellen des ersten Bereichs ab, kann dieser insbesondere entsprechend bzw. diese angeben. Zusätzlich oder alternativ hängt der Nahfeld-Wind-Parameter von einer Windgeschwindigkeit, insbesondere Windrichtung und/oder -stärke, an einer oder mehreren Stellen an der Windenergieanlage, insbesondere dem Rotor, in einer Ausführung eines oder mehrerer Rotorblätter, ab, kann dieser insbesondere entsprechen bzw. diese angeben. Da das Windfeld im Vorfeld (bis) zum ersten Zeitpunkt das Windfeld am Rotor zum zweiten Zeitpunkt maßgeblich bedingt und dieses seinerseits Betriebsparameter und Steuerung der Windenergieanlage, insbesondere des bzw. der Aktoren und/oder des Generators, maßgeblich bedingt, kann in einer Ausführung durch die Berücksichtigung von Windgeschwindigkeiten im Vorfeld die Windenergieanlage besonders vorteilhaft gesteuert werden.

In einer Ausführung hängt der Betriebsparameter von einer Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Last des Rotors, insbesondere eines oder mehrerer Rotorblätter, und/oder der Gondel und/oder einer Leistung, insbesondere einer Drehzahl und/oder einem Drehmoment, des Generators ab. Die Last der Gondel kann insbesondere eine auf diese wirkende Schubkraft und/oder ein auf diese wirkendes Nick- und/oder Giermoment umfassen, insbesondere sein, die Last des Rotors insbesondere ein auf diesen wirkendes Drehmoment und/oder Kräfte und/oder Momente in dem bzw. den Rotorblättern bzw. hieraus resultierende Verformungen.

Da das Windfeld im Vorfeld (bis) zum ersten Zeitpunkt diese Betriebsparameter zum zweiten Zeitpunkt maßgeblich bedingt, können diese hierdurch in einer Ausführung besonders vorteilhaft prognostiziert und die Windenergieanlage dadurch besonders vorteilhaft gesteuert werden.

In einer Ausführung verstellt/verstellen der bzw. eine oder mehrere der Aktoren das bzw. eines oder mehrere der Rotorblätter um dessen bzw. deren Längs- bzw. Blattachse bzw. ist/sind hierzu eingerichtet bzw. wird/werden hierzu verwendet. Mit anderen Worten verstellen der bzw. die Aktoren in einer Ausführung den sogenannten Pitchwinkel, in einer Ausführung kollektiv, in einer anderen Ausführung (einzel)blattspezifisch, bzw. sind hierzu eingerichtet bzw. werden hierzu verwendet.

Zusätzlich oder alternativ verstellt/verstellen der bzw. eine oder mehrere der Aktoren den Rotor, insbesondere die Gondel, um eine bzw. die Gierachse bzw. ist/sind hierzu eingerichtet bzw. wird/werden hierzu verwendet. Mit anderen Worten verstellen der bzw. die Aktoren in einer Ausführung den sogenannten Azimut.

Eine kollektive bzw. (Einzel)blatt(spezifische)Pitchwinkel- und eine Azimutverstellung haben sich neben einer Generatorsteuerung als besonders vorteilhaft zur Verwendung der vorliegenden Erfindung herausgestellt.

In einer Ausführung wird bzw. ist die Zuordnung mithilfe der Windenergieanlage maschinell gelernt, die bzw. deren Aktor(en) und/oder Generator anschließend auf Basis dieser Zuordnung gesteuert wird/werden.

Hierdurch kann die Zuordnung vorteilhaft windenergieanlagenspezifisch bzw. für die bei der gesteuerten Windenergieanlage herrschenden Bedingungen optimiert werden.

Zusätzlich oder alternativ wird bzw. ist die Zuordnung in einer Ausführung mithilfe wenigstens einer weiteren Windenergieanlage maschinell gelernt.

Hierdurch können Erfahrungen bei anderen Windenergieanlagen vorteilhaft (mit)genutzt werden. Dadurch kann in einer Ausführung die Windenergieanlage bereits unmittelbar erfindungsgemäß gesteuert und/oder das (weitere) maschinelle Lernen mithilfe dieser Windenergieanlage verbessert werden.

Zusätzlich oder alternativ wird bzw. ist die Zuordnung in einer Ausführung mithilfe wenigstens eines, insbesondere mathematischen, Simulationsmodells, insbesondere der einen Windenergieanlage und/oder ihrer Umgebung, maschinell gelernt. Hierdurch kann in einer Ausführung die Windenergieanlage bereits unmittelbar erfindungsgemäß gesteuert und/oder das (weitere) maschinelle Lernen mithilfe dieser Windenergieanlage (weiter) verbessert werden.

In einer Ausführung wird die Zuordnung auch während des Steuerns der Windenergieanlage weiter maschinell gelernt. Entsprechend ist die Steuerung des bzw. der Aktoren und/oder des Generators in einer Ausführung (maschinell) selbstlernend. Dadurch kann die

Zuordnung in einer Ausführung verbessert, insbesondere an sich ändernde Bedingungen angepasst, werden. ln einer Ausführung wird bzw. ist die Zuordnung mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzes implementiert, in einer Weiterbildung mithilfe eines hierfür besonders geeigneten rekurrenten bzw. rückgekoppelten künstlichen neuronalen Netzes und/oder LSTM-Netzes („Long short-term memory“). Dadurch kann die Zuordnung in einer Ausführung besonders vorteilhaft maschinell gelernt und/oder ausgewertet werden.

In einer Ausführung wird bzw. ist die Zuordnung auf Basis eines Vergleichs erfasster und prognostizierter Werte des Nahfeld- und/oder Betriebsparameters maschinell gelernt. Dabei werden in einer Ausführung Werte des Nahfeld- und/oder Betriebsparameters für wenigstens einen zweiten Zeitpunkt prognostiziert, zu diesem zweiten Zeitpunkt der entsprechende Nahfeld- bzw. Betriebsparameter erfasst, insbesondere gemessen, und diese Werte miteinander verglichen, wobei die Zuordnung maschinell so gelernt, insbesondere also das künstliche neuronale Netz so trainiert wird, dass ein von dieser Differenz zwischen diesen erfassten und prognostizierten Werte abhängiges Gütekriterium optimiert wird. Der zeitliche Abstand zwischen erstem und zweiten Zeitpunkt kann in einer Ausführung auf Basis einer, insbesondere mittleren, Windgeschwindigkeit zum ersten Zeitpunkt abgeschätzt werden, die aus dem erfassten Wert des Vorfeld-Wind-Parameters ermittelt werden kann. Gleichermaßen kann der zeitliche Abstand auch maschinell (mit)gelernt werden.

Dadurch kann die Zuordnung in einer Ausführung (weiter) verbessert werden.

Die Zuordnung kann, wie bereits erwähnt, einzelnen Werten des Vorfeld-Parameters X jeweils Werte des Nahfeld- bzw. Betriebsparameters bzw. der Steuergröße Y zuordnen, insbesondere gemäß X t .,)— ^Zuordnun9— >g t₂ ) mit dem ersten Zeitpunkt t-i und dem zweiten Zeitpunkt t₂.

Gleichermaßen kann sie, wie ebenfalls bereits erwähnt, auch Wertefolgen X(t-i-n-At), X(t_r(n- 1 )-At),... X(t-i) aus mehreren zeitlich, insbesondere unmittelbar, aufeinanderfolgenden Werten des Vorfeld-Parameters jeweils Werte Y des Nahfeld- bzw. Betriebsparameters bzw. der Steuergröße zuordnen, insbesondere gemäß

{x(f_{1 -} n - Af), X(f_{1 -} (n - 1) - Af),...X(f₁)}— ^Zuordnun9 >Y(t₂) mit den Zeitabständen At zwischen einzelnen Vorfeld-Parameterwerten. Mit anderen Worten kann die Zuordnung auch ein Zeitfenster (bis zu dem ersten Zeitpunkt) auf Nahfeld- bzw. Betriebsparameter bzw. Steuergrößen abbilden. Dadurch kann in einer Ausführung die Dynamik, insbesondere Aerodynamik, zwischen dem ersten und zweiten Zeitpunkt besonders vorteilhaft mitberücksichtigt werden.

In einer Ausführung beträgt der erste Abstand wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 50%, in einer Ausführung wenigstens 90%, und/oder höchstens 1000%, insbesondere höchstens 800%, in einer Ausführung höchstens 600%, einer Länge des Rotorblattes, bei einem mehrblättrigen Rotor mit einem (maximalen) Durchmesser D also insbesondere wenigstens 0,05-D, insbesondere wenigstens 0,25-D, in einer Ausführung wenigstens 0,45-D, und/oder höchstens 5-D, insbesondere höchstens 4-D, in einer Ausführung höchstens 3 D. Er ist, wie bereits erwähnt, in einer Ausführung ein mittlerer oder minimaler Abstand und/oder Abstand in Richtung der Rotorachse und/oder zwischen einer stromaufwärtigen bzw. Vorder- bzw. Anströmkante eines Rotorblatts und dem ersten Bereich, insbesondere dessen rotorseitiger Grenze.

Es hat sich überraschend herausgestellt, dass auf Basis in diesem Abstand von der Windenergieanlage, insbesondere (vor) dem bzw. den Rotorblättern, erfassten Vorfeld- Parameter eine Windenergieanlage bzw. deren Aktor(en) und/oder Generator besonders vorteilhaft gesteuert werden kann.

In einer Ausführung werden der bzw. einer oder mehrere der Aktoren und/oder der Generator kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich auf Basis des (jeweils bzw. aktuell) erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere der (jeweils bzw. aktuell) erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und der maschinell gelernten Zuordnung (an)gesteuert. Dies hat sich insbesondere für die Pitchwinkelverstellung und Steuerung des Generator(dreh)moments als besonders vorteilhaft erwiesen, ohne hierauf beschränkt zu sein.

In einer Ausführung werden der bzw. einer oder mehrere der Aktoren und/oder der Generator erst bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes auf Basis des (jeweils bzw. aktuell) erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere der (jeweils bzw. aktuell) erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und der maschinell gelernten Zuordnung (an)gesteuert. Dies hat sich insbesondere für die Azimutverstellung als besonders vorteilhaft erwiesen, ohne hierauf beschränkt zu sein. Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Steuern der

Windenergieanlage, insbesondere hard- und/oder Software-, insbesondere programmtechnisch, zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens eingerichtet und/oder weist auf:

- einen oder mehrere Sensoren, die einen Werte eines Vorfeld-Parameters, insbesondere

Vorfeld-Wind-Parameters, der zu einem ersten Zeitpunkt in einem ersten Bereich vorliegt, der einen ersten Abstand von der Windenergieanlage, insbesondere dem Rotorblatt, aufweist, insbesondere eine Wertefolge des Vorfeld-Parameters bis zu dem ersten Zeitpunkt, erfassen bzw. hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet sind und/oder verwendet werden; und

- Mittel zum Steuern eines oder mehrerer Aktoren der Windenergieanlage und/oder des Generators auf Basis dieses erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere dieser erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und einer maschinell gelernten Zuordnung eines prognostizierten Nahfeld-Parameters, insbesondere Nahfeld-Wind-Parameters, an der Windenergieanlage und/oder eines für einen späteren zweiten Zeitpunkt prognostizierten Betriebsparameters der Windenergieanlage und/oder einer Steuergröße des Aktors und/oder Generators zu dem Vorfeld-Parameter bzw. Vorfeld-Parameter- Folgen.

In einer Ausführung weist das System bzw. sein(e) Mittel auf:

- Mittel zum Prognostizieren des Nahfeld-Parameters und/oder Betriebsparameters auf

Basis des erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes bzw. der erfassten Vorfeld-Parameter- Wertefolge und der maschinell gelernten Zuordnung;

- Mittel zum Ermitteln einer Steuergröße des Aktors und/oder Generators auf Basis dieses prognostizierten Nahfeld-Parameters und/oder Betriebsparameters, insbesondere mithilfe eines Reglers; sowie

- Mittel zum Steuern des Aktors und/oder Generators auf Basis dieser ermittelten Steuergröße.

Zusätzlich oder alternativ weist das System bzw. sein(e) Mittel in einer Ausführung auf:

- Mittel zum maschinellen Lernen der Zuordnung mithilfe der Windenergieanlage und/oder wenigstens einer weiteren Windenergieanlage;

- Mittel zum maschinellen Lernen der Zuordnung auch während des Steuerns der Windenergieanlage; und/oder - ein künstliches neuronales Netz, mithilfe dessen die Zuordnung implementiert ist bzw. wird bzw. das hierzu vorgesehen, insbesondere eingerichtet ist bzw. verwendet wird.

- Mittel zum maschinellen Lernen der Zuordnung auf Basis eines Vergleichs erfasster und prognostizierter Werte des Nahfeld- und/oder Betriebsparameters; und/oder

- Mittel zum Ansteuern des bzw. eines oder mehrerer der Aktoren und/oder Generators kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich oder erst bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes auf Basis des erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere der erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und der maschinell gelernten Zuordnung. Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Erfindung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Mikroprozessoreinheit (CPU), Graphikkarte (GPU) oder dergleichen, und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die Verarbeitungseinheit kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als ein in einem Speichersystem abgelegtes Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Ein Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper- und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, sodass die Verarbeitungseinheit die Schritte solcher Verfahren ausführen kann und damit insbesondere die Windenergieanlage steuern kann. Ein Computerprogrammprodukt kann in einer Ausführung ein, insbesondere nicht-flüchtiges, Speichermedium zum Speichern eines Programms bzw. mit einem darauf gespeicherten Programm aufweisen, insbesondere sein, wobei ein Ausführen dieses Programms ein System bzw. eine Steuerung, insbesondere einen Computer, dazu veranlasst, ein hier beschriebenes Verfahren bzw. einen oder mehrere seiner Schritte auszuführen.

In einer Ausführung werden ein oder mehrere, insbesondere alle, Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchgeführt, insbesondere durch das System bzw. sein(e) Mittel.

In einer Ausführung weist das System die Windenergieanlage auf. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

Fig. 1 : ein System zum Steuern einer Windenergieanlage nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und Fig. 2: ein Verfahren zum Steuern der Windenergieanlage nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein System zum Steuern einer Windenergieanlage nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Die Windenergieanlage weist einen Rotor 10 mit mehreren (im Ausführungsbeispiel drei) Rotorblättern 11 auf, der um eine im Wesentlichen horizontale Rotorachse R drehbaren in einer Gondel 30 gelagert ist, die um eine im Wesentlichen vertikale Gierachse G drehbar auf einem Turm 31 der Windenergieanlage gelagert ist.

In der Gondel 30 ist ein mit dem Rotor 10 gekoppelter Generator 20 angeordnet, der elektrische Energie in ein Energienetz 21 einspeist. In einer Ausführung weist der Generator 20 hierzu ein Getriebe auf bzw. ist über ein Getriebe mit dem Rotor 10 gekoppelt.

Aktoren 12 verstellen Pitchwinkel der Rotorblätter 11 um deren Längs- bzw. Blattachsen B. Ein Aktor 32 verstellt den Gierwinkel bzw. Azimut der Gondel 30 gegen den Turm 31.

An der Gondel 30 ist ein Lidar-, Sodar-, Radar- oder ähnlicher Sensor 40 angeordnet, der einen mehrdimensionalen Vorfeldparameter in Form von Windgeschwindigkeiten in einem ersten Bereich A erfasst (Fig. 2: Schritt S10), der in einem ersten Abstand a vor dem Rotor 10 angeordnet ist.

Eine Steuerung 43 weist ein künstliches neuronales Netz 41 und einen Regler 42 auf.

Das neuronale Netz 41 erhält Rohdaten von dem Sensor 40 und bildet diese in einem Schritt S20 (vgl. Fig. 2) auf Basis einer maschinell gelernten Zuordnung auf Windgeschwindigkeiten am Rotor und/oder Betriebsparameterwerte, beispielsweise eine aerodynamisch induzierte Rotordrehzahl, ein aerodynamisch induziertes Generatormoment oder dergleichen, ab, die für einen zweiten Zeitpunkt prognostiziert werden, der zeitlich nach einem ersten Zeitpunkt der Erfassung der Rohdaten liegt. Der Zeitversatz zwischen erfassten und prognostizierten Werten kann auf Basis einer aus den erfassten Windgeschwindigkeiten gemittelten (mittleren) Windgeschwindigkeit abgeschätzt oder auch von dem neuronalen Netz 41 maschinell gelernt sein.

Hierzu werden wenigstens in einer Trainingsphase und vorzugsweise auch während des Arbeitsbetriebs der Anlage von dem neuronalen Netz 41 prognostizierte Windgeschwindigkeiten am Rotor und/oder Betriebsparameterwerte mit am Rotor erfassten Windgeschwindigkeiten bzw. in der Windenergieanlage erfassten Betriebsparameterwerten verglichen, wobei das neuronale Netz 41 durch maschinelles Lernen eine Differenz zwischen prognostizierten und erfassten Daten zu minimieren sucht.

Die prognostizierten Windgeschwindigkeiten am Rotor bzw. Betriebsparameterwerte gibt das neuronale Netz 41 in einem Schritt S30 an einen Regler 42 aus, der auf Basis dieser Größen Steuergrößen für den Generator 20, die Pitchwinkel-Aktoren 12 und den Azimutaktor 32 ermittelt und an diese ausgibt. Zusätzlich kann, wie bereits erwähnt, während des Betriebs bzw. in Schritt S20 oder S30 jeweils das neuronale Netz 41 die Zuordnung von durch den Sensor 40 zu einem ersten Zeitpunkt erfassten Windgeschwindigkeiten im ersten Bereich A und hieraus für einen späteren zweiten Zeitpunkt prognostizierten Windgeschwindigkeiten am Rotor bzw. Betriebsparameterwerte durch (weiteres) maschinelles Lernen weiter verbessern.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist.

So kann insbesondere anstelle des zweistufigen Verfahrens (Fig. 2: S20, S30) mit einer Prognose von Windgeschwindigkeiten am Rotor bzw. Betriebsparameterwerten und einem auf Basis dieser prognostizierten Größen vorauschauend( arbeitenden Regler 42 das neuronale Netz 41 auch direkt bereits auf Basis der durch den Sensor 40 zu einem ersten Zeitpunkt erfassten Windgeschwindigkeiten im ersten Bereich A und einer maschinell gelernten Zuordnung dieser Vorfeld-Parameterwerte zu Steuergrößen für den Generator 20 und die Pitchwinkel-Aktoren 12 jeweils diese Steuergrößen ermitteln und den Generator 20, die Pitchwinkel-Aktoren 12 und den Azimutaktor 32 damit (an)steuern. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Bezuqszeichenliste

10 Rotor

1 1 Rotorblatt

12 Pitchwinkel-Aktor

20 Generator

21 Energienetz

30 Gondel

31 Turm

32 Azimut-Aktor

40 Sensor

41 künstliches neuronales Netz

42 Regler

43 Steuerung

A erster Bereich

a erster Abstand

B Blattachse

G Gierachse

R Rotorachse

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage, die einen um eine Rotorachse (R) drehbaren Rotor (10) mit wenigstens einem Rotorblatt (11 ) und einen damit gekoppelten Generator (20) aufweist, mit den Schritten:

- Erfassen (S10) eines Wertes eines Vorfeld-Parameters, insbesondere Vorfeld-

Wind-Parameters, der zu einem ersten Zeitpunkt in einem ersten Bereich (A) vorliegt, der einen ersten Abstand (a) von der Windenergieanlage, insbesondere dem Rotorblatt, aufweist, insbesondere einer Wertefolge des Vorfeld-Parameters bis zu dem ersten Zeitpunkt, mithilfe wenigstens eines Sensors (40); und

- Steuern (S30) des Generators (20) und/oder wenigstens eines Aktors (12, 32) der

Windenergieanlage auf Basis dieses erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere dieser erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und einer maschinell gelernten Zuordnung eines prognostizierten Nahfeld-Parameters, insbesondere Nahfeld-Wind-Parameters, an der Windenergieanlage und/oder eines für einen späteren zweiten Zeitpunkt prognostizierten Betriebsparameters der

Windenergieanlage und/oder einer Steuergröße des Aktors und/oder Generators zu dem Vorfeld-Parameter bzw. Vorfeld-Parameter-Folgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein linienartig und/oder berührungslos, insbesondere optisch, akustisch und/oder elektromagnetisch, messender Sensor und/oder an der Windenergieanlage, insbesondere dem Rotor oder einer diesen lagernden, insbesondere drehbaren, Gondel (30) oder einem diese lagernden Turm (31 ) angeordnet ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfeld-Wind-Parameter von einer Windgeschwindigkeit, insbesondere Windrichtung und/oder -stärke, an wenigstens einer Stelle des ersten Bereichs und/oder der

Nahfeld-Wind-Parameter von einer Windrichtung und/oder -stärke an wenigstens einer Stelle an der Windenergieanlage, abhängt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter von einer Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder Last des Rotors, einer diesen lagernden, insbesondere drehbaren, Gondel und/oder einer

Leistung des Generators abhängt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor das Rotorblatt um seine Längsachse (B) und/oder den Rotor, insbesondere eine diesen lagernde Gondel (30), um eine Gierachse (G) verstellt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Prognostizieren (S20) des Nahfeld-Parameters und/oder Betriebsparameters auf Basis des erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes bzw. der erfassten Vorfeld-Parameter- Wertefolge und der maschinell gelernten Zuordnung;

- Ermitteln (S30) einer Steuergröße des Aktors und/oder Generators auf Basis dieses prognostizierten Nahfeld-Parameters und/oder Betriebsparameters, insbesondere mithilfe eines Reglers (42); und

- Steuern (S30) des Aktors und/oder Generators auf Basis dieser ermittelten Steuergröße.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung mithilfe der Windenergieanlage und/oder wenigstens einer weiteren

Windenergieanlage und/oder eines Simulationsmodells maschinell gelernt ist und/oder auch während des Steuerns der Windenergieanlage weiter maschinell gelernt wird und/oder mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzes (41 ) implementiert ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung auf Basis eines Vergleichs erfasster und prognostizierter Werte des

Nahfeld- und/oder Betriebsparameters maschinell gelernt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand wenigstens 10% und/oder höchstens 1000% einer Länge des Rotorblattes beträgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor und/oder Generators kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich oder erst bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes auf Basis des erfassten Vorfeld- Parameter-Wertes, insbesondere der erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und der maschinell gelernten Zuordnung angesteuert wird.

1 1. System (40-43) zum Steuern einer Windenergieanlage, die einen um eine Rotorachse (R) drehbaren Rotor (10) mit wenigstens einem Rotorblatt (11 ) und einen damit gekoppelten Generator (20) aufweist, wobei das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist und/oder aufweist:

- wenigstens einen Sensor (40) zum Erfassen eines Wertes eines Vorfeld-Parameters, insbesondere Vorfeld-Wind-Parameters, der zu einem ersten Zeitpunkt in einem ersten Bereich (A) vorliegt, der einen ersten Abstand (a) von der Windenergieanlage, insbesondere dem Rotorblatt, aufweist, insbesondere einer Wertefolge des Vorfeld- Parameters bis zu dem ersten Zeitpunkt; und

- Mittel (41-43) zum Steuern des Generators und/oder wenigstens eines Aktors (12, 32) der Windenergieanlage auf Basis dieses erfassten Vorfeld-Parameter-Wertes, insbesondere dieser erfassten Vorfeld-Parameter-Wertefolge, und einer maschinell gelernten Zuordnung eines prognostizierten Nahfeld-Parameters, insbesondere Nahfeld-Wind-Parameters, an der Windenergieanlage und/oder eines für einen späteren zweiten Zeitpunkt prognostizierten Betriebsparameters der

12. Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.