EP4182557A1 - Device for identifying an accumulation of ice on rotor blades of a wind turbine and method for teaching such a device - Google Patents

Device for identifying an accumulation of ice on rotor blades of a wind turbine and method for teaching such a device

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Publication number
EP4182557A1
EP4182557A1 EP21739393.3A EP21739393A EP4182557A1 EP 4182557 A1 EP4182557 A1 EP 4182557A1 EP 21739393 A EP21739393 A EP 21739393A EP 4182557 A1 EP4182557 A1 EP 4182557A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ice
wind turbine
rotor blade
accumulation
vibrations
Prior art date
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Pending
Application number
EP21739393.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel Brenner
Christian Kühnert
Stefan Reimann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Weidmueller Monitoring Systems GmbH
Original Assignee
Weidmueller Monitoring Systems GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Weidmueller Monitoring Systems GmbH filed Critical Weidmueller Monitoring Systems GmbH
Publication of EP4182557A1 publication Critical patent/EP4182557A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/028Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor controlling wind motor output power
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03D80/00Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/40Ice detection; De-icing means
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    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2270/30Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/334Vibration measurements
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • an operating parameter of a wind turbine in particular the power produced by it, is used for ice detection as a function of boundary conditions such as a wind speed. speed is recorded and compared with previously known values for this operating parameter. This is based on the knowledge that ice accumulation leads to a reduction in the output of the wind turbine. If the power actually produced by this system is known at a given wind speed, a comparison of the power currently supplied with a known wind speed can indicate ice formation. In order to be able to carry out the procedure with sufficient informative value, comparative values of the system in question are required.
  • a "high probability" of recognizing the absence of ice is understood to mean a probability of more than about 80%, for example, within the scope of the registration.
  • FIG. 5 shows a flow chart of a method for training a device for detecting ice accumulation on a rotor blade.
  • FIG. 1 a sectional drawing of a part of a wind energy plant 1 is shown as an example, which has a device 6 for detecting ice accumulation on a rotor blade.
  • the wind energy installation 1 shown in FIG. 1 is suitable and set up for carrying out a teaching method for the device 6 according to the application.
  • the device 6 is also referred to below as an ice detection device 6 .
  • the ice detection device 6 for detecting an accumulation of ice on one or more of the rotor blades 41 comprises at least one vibration sensor 61 , hereinafter referred to as sensor 61 for short.
  • the two sensors 61 shown in FIG. 1 are arranged approximately in a lower third of the rotor blade 41 .
  • the sensors 61 can However, it can also be arranged at other positions in the rotor blade 41 .
  • the expected power of the wind energy plant 1 can be estimated from the model generated in step S1 on the basis of the operating and environmental conditions measured in step S2.
  • step S4 a difference between the power actually measured and the power expected is determined, preferably as a ratio, possibly in other ren embodiments as a difference.
  • the ratio corresponds to the efficiency e of the wind turbine shown in FIG.
  • step S4 the determined efficiency e is compared with a predefined threshold value eo. Possible limit values are in the range of about 60 - 95%. Falling below the threshold value eo indicates that the rotor blades 41 are not free of ice.
  • the method branches back to step S2 in order to determine operating parameters again and carry out a power measurement. Since the absence of ice does not change within a very short time, a pause of, for example, a few hours can be provided before the method continues with the steps S2 ff. repeated.
  • step S6 it is then checked whether reference spectra are available in sufficient number and quality for a sufficiently large range of operating and environmental conditions. If this is not the case, the method branches back to step S2 again in order—again, possibly after a waiting time—to be able to record further reference spectra under different operating and environmental conditions. If it is determined in step S6 that a sufficiently large and qualitatively suitable set of reference spectra is present, the training phase for the monitoring device 6 is complete and the monitoring device 6 can be operated in the regular monitoring mode in a step S7.

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Abstract

The invention relates to a method for teaching a device (6) for identifying an accumulation of ice on at least one rotor blade (41) of a wind turbine (1), said method having the following steps: - determining operating and ambient conditions during operation of the wind turbine (1); - determining an electrical output of the wind turbine (1) that is to be expected under the operating and ambient conditions determined; - measuring an electrical output that is actually generated by the wind turbine (1); - comparing the expected electrical output of the wind turbine (1) with the electrical output actually generated by same; - depending on the result of the comparison, determining with a high level of probability whether the at least one rotor blade (41) is free of ice; and - detecting vibrations of the at least one rotor blade (41), deriving characteristic properties of the vibrations and storing the characteristic properties as a reference for the device (6) for identifying an accumulation of ice if, in the comparison, it was determined with a high level of probability that the at least one rotor blade (41) is free of ice. The invention also relates to a device for identifying an accumulation of ice on at least one rotor blade (41) of a wind turbine (1), which device is designed to carry out a method of this kind.

Description

Vorrichtung zum Erkennen eines Eisansatzes an Rotorblättern einer Windenergieanlage und Verfahren zum Anlernen einer derartigen Device for detecting ice build-up on rotor blades of a wind turbine and method for teaching such a system
Vorrichtung contraption
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anlernen einer Vorrichtung zum Erken nen eines Eisansatzes an Rotorblättern einer Windenergieanlage, wobei Eis an hand von Eigenschwingungsmessungen der Rotorblätter detektiert wird. Die Er findung betrifft weiterhin eine derartige Vorrichtung zum Erkennen eines Eisan satzes, nachfolgend auch Eiserkennungsvorrichtung genannt. The invention relates to a method for teaching a device for recognizing ice build-up on rotor blades of a wind turbine, with ice being detected on the basis of natural vibration measurements of the rotor blades. The invention further relates to such a device for detecting an ice buildup, hereinafter also referred to as an ice detection device.
Die Auswertung von Schwingungen eines Rotorblatts einer Windkraftanlage ent weder über Schwingungsaufnehmer, die in dem Rotorblatt selbst angeordnet sind, und/oder über Schwingungsaufnehmer, die an Komponenten angeordnet sind, die mit dem Rotorblatt verbunden sind, wie beispielsweise einem Triebstrang oder einer Gondel der Windenergieanlage, ist ein probates Mittel, um eine Anlagerung von Zusatzmassen und insbesondere Eis am Rotorblatt zu de- tektieren. Eis kann sich dabei in großen Mengen an Rotorblättern anlagern, bis in den Zehn- oder Hundert- Kilogramm (kg)-Bereich. Zur Vermeidung von Gefahren durch abfallendes oder abgeschleudertes Eis und zur Vermeidung von Schäden am Triebstrang der Windenergieanlage ist eine sichere Erkennung angelagerten Eises von größtem Interesse. The evaluation of vibrations of a rotor blade of a wind turbine either via vibration sensors that are arranged in the rotor blade itself and/or via vibration sensors that are arranged on components that are connected to the rotor blade, such as a drive train or a nacelle of the wind turbine, is a tried and tested means of detecting the accumulation of additional masses and, in particular, ice on the rotor blade. Large amounts of ice can accumulate on rotor blades, up to the tens or hundreds of kilograms (kg). Reliable detection of accumulated ice is of great interest in order to avoid danger from falling or thrown ice and to avoid damage to the drive train of the wind turbine.
Die Druckschrift DE 102016 124554 A1 beschreibt ein Verfahren zum Erkennen von Eis an einem Rotorblatt einer Windenergieanlage, bei dem anhand einer Än derung der Eigenfrequenz auf eine Eisanlagerung geschlossen wird. Um zuver lässige Detektionsergebnisse zu erzielen, wird dieses Verfahren kombiniert mit Messergebnissen von Sensoren, anhand derer unmittelbar auf einen Eiszuwachs geschlossen werden kann. Solche Sensoren sind beispielsweise Leitfähigkeits sensoren an der Oberfläche des Rotorblattes oder optisch oder akustisch arbei tende Sensoren, die eine Schichtdicke eines Eiszuwachses bestimmen können. Nachteilig an diesem kombinierten Verfahren ist es, dass Eis nur lokal und unmit telbar im Bereich des Sensors erkannt wird und dass neben Schwingungsauf nehmern weitere Sensoren unmittelbar am Rotorblatt angeordnet sein müssen, die aufgrund ihrer Position entsprechend wartungsintensiv sind. The publication DE 102016 124554 A1 describes a method for detecting ice on a rotor blade of a wind turbine, in which ice accumulation is inferred based on a change in the natural frequency. In order to achieve reliable detection results, this method is combined with measurement results from sensors, which can be used to directly infer ice growth. Such sensors are, for example, conductivity sensors on the surface of the rotor blade or optically or acoustically working sensors that can determine the layer thickness of an ice growth. The disadvantage of this combined method is that ice is only detected locally and immediately in the area of the sensor and that, in addition to vibration sensors, other sensors must be arranged directly on the rotor blade, which are correspondingly maintenance-intensive due to their position.
In der Druckschrift WO 2004/104412 A1 wird zur Eiserkennung ein Betriebspa rameter einer Windenergieanlage, insbesondere die von ihr produzierte Leistung, in Abhängigkeit von Randbedingungen wie beispielsweise einer Windgeschwin- digkeit erfasst und mit vorbekannten Werten für diesen Betriebsparameter vergli chen. Dieses basiert auf der Erkenntnis, dass ein Eisansatz zu einer Leistungs verringerung der Windenergieanlage führt. Ist bei gegebener Windgeschwindig keit die eigentlich von dieser Anlage produzierte Leistung bekannt, kann ein Ver gleich der aktuell gelieferten Leistung bei bekannter Windgeschwindigkeit auf ei nen Eisansatz hindeuten. Um das Verfahren mit ausreichender Aussagefähigkeit durchführen zu können, sind Vergleichswerte der betreffenden Anlage erforder lich. In the publication WO 2004/104412 A1, an operating parameter of a wind turbine, in particular the power produced by it, is used for ice detection as a function of boundary conditions such as a wind speed. speed is recorded and compared with previously known values for this operating parameter. This is based on the knowledge that ice accumulation leads to a reduction in the output of the wind turbine. If the power actually produced by this system is known at a given wind speed, a comparison of the power currently supplied with a known wind speed can indicate ice formation. In order to be able to carry out the procedure with sufficient informative value, comparative values of the system in question are required.
Gemäß der Druckschrift DE 102017 129 112 A1 wird die Detektionszuverlässig keit des in der zuvor genannten Druckschrift WO 2004/104412 A1 beschriebenen Verfahrens dadurch erhöht, dass es kombiniert mit einem weiteren Verfahren zur Detektion von Eis eingesetzt wird. Jedes der eingesetzten Verfahren gibt eine Warnung aus, wenn mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein Eisansatz vorliegt. Jedes der Verfahren kann weiterhin ein Signal ausgeben, das mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit angibt, dass das System eisfrei ist. Ein Eingriff in den Betrieb der Windenergieanlage, beispielsweise ein Abbremsen der Windenergieanlage, erfolgt, sobald eines der Systeme ein Warnsignal im Hinblick auf einen möglichen Eisansatz ausgibt. Sobald eines der Systeme danach ein Eisfrei-Signal abgibt, wird der Eingriff in den Betrieb der Windenergieanlage wieder deaktiviert. Auf die se Weise sollen die Auswirkungen eines möglicherweise ungerechtfertigten Ein griffs in den Betrieb der Windenergieanlage verringert werden. Nachteilig ist, dass es überhaupt zu einer Beeinträchtigung des Betriebes kommen kann, auch wenn ein Eisansatz nicht mit Sicherheit vorhergesagt ist, also beispielsweise, wenn nur eines von zwei Systemen den Eisansatz erkannt hat. According to publication DE 102017 129 112 A1, the detection reliability of the method described in the aforementioned publication WO 2004/104412 A1 is increased by using it in combination with another method for detecting ice. Each of the methods used issues a warning if there is a certain probability that ice has formed. Each of the methods can also output a signal that indicates with a certain probability that the system is ice-free. An intervention in the operation of the wind energy installation, for example braking of the wind energy installation, takes place as soon as one of the systems issues a warning signal with regard to possible ice accumulation. As soon as one of the systems then emits an ice-free signal, intervention in the operation of the wind turbine is deactivated again. In this way, the effects of a possibly unjustified intervention in the operation of the wind turbine are to be reduced. The disadvantage is that the operation can be impaired at all, even if ice accumulation is not predicted with certainty, for example if only one of two systems has recognized ice accumulation.
Beim Einsatz von Eiswarnanlagen, die auf einer Auswertung der Eigenschwin gungen des Blattes basieren, zeigt sich, dass eine hohe Detektionssicherheit er zielt werden kann, wenn zuverlässige Referenzdaten, z.B. in Form von Referenz spektren, über das Schwingungsverhalten der Blätter in einem eisfreien Zustand für verschiedene Betriebs- und Umweltbedingungen (z.B. Windgeschwindigkeit, Außen- und/oder Blatttemperatur, Rotordrehzahl, Anstellwinkel der Blätter) vor handen sind. When using ice warning systems, which are based on an evaluation of the natural vibrations of the blade, it has been shown that a high level of detection reliability can be achieved if reliable reference data, e.g. in the form of reference spectra, about the vibration behavior of the blades in an ice-free state for various Operating and environmental conditions (e.g. wind speed, outside and/or blade temperature, rotor speed, angle of attack of the blades) are present.
Wird eine Windenergieanlage in einer kalten Jahreszeit und einer vereisungsan fälligen Region installiert, muss zur Aufnahme der Referenzspektren sicherge stellt werden, dass die Rotorblätter der Windenergieanlage eisfrei sind. Eine be kannte Möglichkeit ist es, eine Mindestaußentemperatur abzuwarten, beispiels weise mindestens +5°C, bevor Referenzspektren aufgezeichnet werden. Je nach Region und Jahreszeit können jedoch Monate vergehen, bis eine solche Bedin gung erfüllt ist. Innerhalb dieser Zeit ist die eigentlich für die Windenergieanlage vorgesehene Vorrichtung zur Eiserkennung nicht oder nicht zuverlässig ersetz bar. If a wind turbine is installed in a cold season and in a region prone to icing, it must be ensured that the rotor blades of the wind turbine are free of ice in order to record the reference spectra. A well-known option is to wait for a minimum outside temperature, for example at least +5°C, before recording reference spectra. Depending on However, depending on the region and season, it can take months for such a condition to be met. Within this time, the ice detection device actually provided for the wind turbine cannot be replaced, or cannot be reliably replaced.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Anlernverfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einen zuverlässigen Betrieb der Vorrichtung zur Eiserkennung ermöglicht, auch wenn anhand der Umgebungstemperatur nicht auf Eisfreiheit geschlossen werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe, eine Vor richtung zur Eiserkennung, die entsprechend kalibriert werden kann, anzugeben. It is an object of the present invention to specify a teaching method of the type mentioned at the outset that enables reliable operation of the device for ice detection, even if the ambient temperature cannot be used to conclude that there is no ice. It is another object to provide an ice detection device that can be appropriately calibrated.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruches. Vorteilhafte Ausgestaltun gen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a method and a device with the features of the respective independent claim. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Art weist die fol genden Schritte auf: Es werden Betriebs- und Umgebungsbedingungen im Be trieb der Windenergieanlage bestimmt und eine bei den bestimmten Betriebs und Umgebungsbedingungen zu erwartende elektrische Leistung der Wind energieanlage ermittelt. Im Betrieb der Windenergieanlage wird eine tatsächlich von der der Windenergieanlage erzeugte elektrische Leistung gemessen und mit der zu erwartenden elektrischen Leistung der Windenergieanlage vergli chen. Abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs wird ermittelt, ob das min destens eine Rotorblatt mit hoher Wahrscheinlichkeit eisfrei ist. Falls in dem Vergleich ermittelt wurde, dass das mindestens eine Rotorblatt mit hoher Wahrscheinlichkeit eisfrei ist, werden Schwingungen des mindestens einen Ro torblatts erfasst und deren charakteristische Eigenschaften erfasst und abge speichert, wobei die charakteristischen Eigenschaften als Referenz für die Vor richtung zum Erkennen eines Eisansatzes dienen. A method according to the invention of the type mentioned has the fol lowing steps: Operating and environmental conditions in the loading operation of the wind turbine are determined and an expected electrical power of the wind turbine under the specific operating and environmental conditions is determined. When the wind turbine is in operation, the electrical power actually generated by the wind turbine is measured and compared with the expected electrical power of the wind turbine. Depending on a result of the comparison, it is determined whether there is a high probability that the at least one rotor blade is ice-free. If the comparison determined that there is a high probability that the at least one rotor blade is ice-free, vibrations of the at least one rotor blade are recorded and their characteristic properties are recorded and stored, with the characteristic properties serving as a reference for the device for detecting ice accumulation .
Erfindungsgemäß wird somit ein weiteres Verfahren zur Eiserkennung genutzt, um Eisfreiheit mit zumindest einer hohen Wahrscheinlichkeit zu erkennen. Durch das anmeldungsgemäße Verfahren kann die Dauer der Anlernphase verkürzt werden, da u.U. nach erfolgtem Leistungsvergleich eine Schwingungsreferenz für die Eiserkennungsvorrichtung auch dann aufgezeichnet werden kann, wenn eine Eisfreiheit von der Umgebungstemperatur (Außentemperatur) nicht abgeleitet werden kann. Als weiteres Verfahren, um zu erkennen, ob die Blätter eisfrei sind, wird die Leistung der Windenergieanlage bei gegebenen Betriebsbedingungen herangezogen. Dieses ist vorteilhaft, da damit eine Aussage über die Eisfreiheit erfolgen kann, ohne dass zusätzliche Sensoren benötigt werden. Aktuelle Ist- Leistungsdaten sind in der Regel verfügbar. According to the invention, a further method for ice detection is thus used in order to detect the absence of ice with at least a high degree of probability. The method according to the application allows the duration of the learning phase to be shortened since, after a performance comparison has taken place, an oscillation reference for the ice detection device can also be recorded if freedom from ice cannot be derived from the ambient temperature (outside temperature). Another method of determining whether the blades are ice-free is to use the power of the wind turbine under the given operating conditions. This is advantageous because it provides information about the absence of ice can be done without the need for additional sensors. Current actual performance data is usually available.
Als „hohe Wahrscheinlichkeit“, mit der Eisfreiheit erkannt wird, ist im Rahmen der Anmeldung eine Wahrscheinlichkeit von z.B. mehr als etwa 80 % zu verstehen. A "high probability" of recognizing the absence of ice is understood to mean a probability of more than about 80%, for example, within the scope of the registration.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens umfassen die Betriebs- und Umgebungsbedingungen eine Windgeschwindigkeit, eine Umgebungs- und /oder Blatttemperatur, ein Anstellwinkel mindestens eines Rotorblattes und/oder eine Drehzahl eines Rotors der Windenergieanlage. Die zu erwartenden elektrischen Leistung wird vorteilhaft anhand eines Modells bestimmt, das gemessene Leis tungen bei gemessenen Betriebs- und Umgebungsbedingungen widerspiegelt.In an advantageous embodiment of the method, the operating and environmental conditions include a wind speed, an environmental and/or blade temperature, an angle of attack of at least one rotor blade and/or a speed of a rotor of the wind energy installation. The electrical power to be expected is advantageously determined using a model that reflects measured power under measured operating and environmental conditions.
Ein Vergleich der zu erwartenden mit der tatsächlichen Leistung kann bei einer modell-basierten Bestimmung der zu erwartenden Leistung gut ein ausreichendes Signifikanzniveau für die Aussage „eisfrei“ erreichen. Bevorzugt basiert das Mo dell auf Leistungsdaten, die an der konkreten Windenergieanlage selbst gemes sen sind. Alternativ ist es auch möglich, Leistungen einer mit der Windenergiean lage vergleichbaren Windenergieanlage zu messen und dem Modell zugrunde zu legen. A comparison of the performance to be expected with the actual performance can easily achieve a sufficient level of significance for the statement "ice-free" in the case of a model-based determination of the performance to be expected. The model is preferably based on performance data that is measured on the specific wind turbine itself. Alternatively, it is also possible to measure the performance of a wind energy installation that is comparable to the wind energy installation and to use this as a basis for the model.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrenswird im Schritt des Vergleichens ein Quotient zwischen der tatsächlich erzeugten elektrischen Leistung und der zu erwartenden elektrischen Leistung der Windenergieanlage gebildet und mit einem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Bei einem Überschreiten des Schwellenwerts wird angenommen, dass das mindestens eine Rotorblatt eisfrei ist. Bevorzugt wird liegt der Schwellenwert zwischen 60% und 95% und insbesondere zwischen 80% und 95%. In a further advantageous embodiment of the method, in the comparison step, a quotient is formed between the electrical power actually generated and the electrical power to be expected from the wind turbine and compared with a predetermined threshold value. If the threshold value is exceeded, it is assumed that the at least one rotor blade is free of ice. The threshold value is preferably between 60% and 95% and in particular between 80% and 95%.
Als charakteristische Eigenschaften der Schwingungen, die als Referenz hinter legt werden und auf die die Vorrichtung zur Eisdetektion zurückgreift, können eine Frequenz und/oder Amplitude mindestens eines Schwingungszustands, z.B. eines Maximums in einem Schwingungsspektrum, herangezogen werden. Auch ist es denkbar, dass die charakteristischen Eigenschaften der Schwin gungen zumindest einen Frequenzbereich aus einem Spektrum der Schwin gungen betreffen. In dem Fall wird das Schwingungsspektrum bzw. ein Aus schnitt daraus als Referenzspektrum abgespeichert. A frequency and/or amplitude of at least one vibration state, e.g. It is also conceivable that the characteristic properties of the vibrations relate to at least one frequency range from a spectrum of the vibrations. In this case, the vibration spectrum or a section of it is saved as a reference spectrum.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erkennen eines Eisansatzes an min destens einem Rotorblatt einer Windenergieanlage detektiert Eis anhand von Eigenschwingungsmessungen an dem mindestens einen Rotorblatt und zeich net sich dadurch aus, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Anlernverfahrens eingerichtet ist. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Anlernverfahren genannten Vorteile. A device according to the invention for detecting an accumulation of ice on at least one rotor blade of a wind turbine detects ice on the basis of Natural vibration measurements on the at least one rotor blade and is characterized in that the device is set up to carry out such a training process. The advantages mentioned in connection with the learning process result.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen: The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with the aid of figures. The figures show:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer Windenergie anlage; Fig. 1 is a schematic sectional view of part of a wind energy plant;
Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung von Eigenfrequenzzuständen bei ei nem Rotorblatt einer Windenergieanlage; FIG. 2 shows a diagram for representing natural frequency states in the case of a rotor blade of a wind turbine; FIG.
Fig. 3 eine Darstellung eines Amplitudenspektrums von Schwingungszu ständen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage; 3 shows a representation of an amplitude spectrum of vibration states of a rotor blade of a wind turbine;
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung des Einflusses eines Eisansatzes auf eine Effizienz der Windenergieanlage; und FIG. 4 shows a diagram to show the influence of an accumulation of ice on the efficiency of the wind turbine; FIG. and
Fig. 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Anlernen einer Vorrichtung zum Erkennen eines Eisansatzes an einem Rotorblatt. 5 shows a flow chart of a method for training a device for detecting ice accumulation on a rotor blade.
In Fig. 1 ist exemplarisch eine Schnittzeichnung eines Teils einer Windenergie anlage 1 dargestellt, die eine Vorrichtung 6 zum Erkennen eines Eisansatzes an einem Rotorblatt aufweist. Die in Fig. 1 gezeigte Windenergieanlage 1 ist zur Durchführung eines anmeldegemäßen Anlernverfahrens für die Vorrichtung 6 geeignet und eingerichtet. Die Vorrichtung 6 wird nachfolgend auch Eiser kennungsvorrichtung 6 genannt. In Fig. 1 a sectional drawing of a part of a wind energy plant 1 is shown as an example, which has a device 6 for detecting ice accumulation on a rotor blade. The wind energy installation 1 shown in FIG. 1 is suitable and set up for carrying out a teaching method for the device 6 according to the application. The device 6 is also referred to below as an ice detection device 6 .
Die Windenergieanlage 1 weist eine auf einem Turm 2 drehbar aufgesetzte Gondel 3 auf, die einen Rotor 4 trägt. Der Rotor 4 weist mindestens ein Rotor blatt 41 auf, das an einer Nabe 42 mit einer Rotorwelle 51 verbunden ist. Der Bereich der Nabe 42 und des Ansatzes der Rotorblätter 41 ist von einem Spin ner 43 abgedeckt. The wind energy installation 1 has a nacelle 3 which is rotatably mounted on a tower 2 and carries a rotor 4 . The rotor 4 has at least one rotor blade 41 which is connected to a hub 42 with a rotor shaft 51. The area of the hub 42 and the base of the rotor blades 41 is covered by a spinner 43 .
In der Fig. 1 sind beispielhaft zwei abgelängt dargestellte Rotorblätter 41 ge zeigt. Dieses ist rein beispielhaft, häufig weisen Windenergieanlagen drei Ro torblätter 41 auf. Die genannte Rotorwelle 51 ist Teil eines Triebstrangs 5. Sie überträgt die Drehbewegung des Rotors 4 auf ein Getriebe 52. Dieses wiederum ist über ei ne Getriebewelle 53 und eine Kupplung 54 mit einem Generator 55 gekoppelt, der die mechanische Energie des Rotors 4 in elektrische Energie umwandelt. Die Darstellung der Windenergieanlage 1 mit Getriebe 55 ist ebenfalls rein bei spielhaft. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung und das anmeldungsgemäße Verfahren können ebenso gut mit einer getriebelosen Windenergieanlage um gesetzt werden. In FIG. 1, two rotor blades 41 shown cut to length are shown as an example. This is purely an example, wind turbines often have three rotor blades 41 . Said rotor shaft 51 is part of a drive train 5. It transmits the rotational movement of the rotor 4 to a gear 52. This in turn is coupled via a gear shaft 53 and a clutch 54 to a generator 55, which converts the mechanical energy of the rotor 4 into electrical energy converts. The representation of the wind turbine 1 with gear 55 is also purely by way of example. The device according to the application and the method according to the application can be implemented just as well with a gearless wind energy installation.
Die Eiserkennungsvorrichtung 6 zum Erkennen eines Eisansatzes an einem oder mehreren der Rotorblätter 41 umfasst mindestens einen Schwingungsauf nehmer 61 , nachfolgend abkürzend als Sensor 61 bezeichnet. The ice detection device 6 for detecting an accumulation of ice on one or more of the rotor blades 41 comprises at least one vibration sensor 61 , hereinafter referred to as sensor 61 for short.
Vorliegend ist in jedem der dargestellten Rotorblätter 41 ein Sensor 61 ange ordnet. Jeder Sensor 61 ist über eine Sensorleitung 62 mit einer Auswerteein heit 63 verbunden. Die Art der Verbindung ist in der Fig. 1 rein beispielhaft dar gestellt. In der Regel erfolgt eine Verbindung zwischen den Sensoren 61 und der Auswerteeinheit 63 über in dem Rotorblatt 41 verlaufende Sensorleitungen bis in den Spinner 43, von wo aus eine in der Regel drahtlose Übertragung zur Auswerteeinheit 63 erfolgt. In alternativen Ausgestaltungen können die Senso ren 61 mit Energiegewinnungseinheiten gekoppelt sein („energy harvesting“), so dass sie Energie beispielsweise aus der Drehung des Rotors 4 beziehen und unmittelbar vom Rotorblatt 41 aus Daten über Funk an die Auswerteeinheit 63 übertragen. Auch eine Energieversorgung der Sensoren 61 über optische Fasern innerhalb der Rotorblätter 41 , ebenso wie eine optische Datenübermitt lung von den Sensoren 61 zur Auswerteeinheit 63 oder zumindest zu einer Funk-Relaisstation im Spinner 43 ist denkbar. In the present case, a sensor 61 is arranged in each of the rotor blades 41 shown. Each sensor 61 is connected to an evaluation unit 63 via a sensor line 62 . The type of connection is shown in FIG. 1 purely as an example. As a rule, there is a connection between the sensors 61 and the evaluation unit 63 via sensor lines running in the rotor blade 41 to the spinner 43, from where transmission to the evaluation unit 63, which is usually wireless, takes place. In alternative configurations, the sensors 61 can be coupled to energy generation units (“energy harvesting”) so that they obtain energy, for example, from the rotation of the rotor 4 and transmit data directly from the rotor blade 41 to the evaluation unit 63 via radio. A power supply of the sensors 61 via optical fibers within the rotor blades 41, as well as optical data transmission from the sensors 61 to the evaluation unit 63 or at least to a radio relay station in the spinner 43 is conceivable.
Die Sensoren 61 sind Schwingungsaufnehmer, die eine Schwingung des Ro torblatts 41 erfassen. Die Sensoren 61 können Beschleunigungs-, Dehnungs oder auch Drehratensensoren sein. Eine Schwingung wird dann als Änderung eines gemessenen Beschleunigungswerts, einer gemessenen Geschwindigkeit oder einer gemessenen Ausdehnung erfasst. Die Anordnung der Sensoren 61 innerhalb des Rotorblatts 51 kann derart sein, dass Schwingungen in Schwen krichtung („edge“) und/oder in Schlagrichtung („flap“) und/oder in Torsionsrich tung des jeweiligen Rotorblatts 41 erfasst werden. The sensors 61 are vibration pickups that detect vibration of the rotor blade 41 . The sensors 61 can be acceleration, strain or yaw rate sensors. Vibration is then detected as a change in a measured acceleration value, a measured velocity, or a measured extension. The arrangement of the sensors 61 within the rotor blade 51 can be such that vibrations in the pivoting direction (“edge”) and/or in the flapping direction (“flap”) and/or in the torsional direction of the respective rotor blade 41 are detected.
Rein beispielhaft sind die beiden dargestellten Sensoren 61 in der Fig. 1 etwa in einem unteren Drittel des Rotorblatts 41 angeordnet. Die Sensoren 61 kön- nen jedoch auch an anderen Positionen im Rotorblatt 41 angeordnet sein. Au ßerdem ist es möglich, mehrere Sensoren 61 in jedem Rotorblatt 41 anzuord nen, die gemeinsam oder unabhängig voneinander ausgewertet werden. Purely by way of example, the two sensors 61 shown in FIG. 1 are arranged approximately in a lower third of the rotor blade 41 . The sensors 61 can However, it can also be arranged at other positions in the rotor blade 41 . In addition, it is possible to arrange a plurality of sensors 61 in each rotor blade 41, which are evaluated jointly or independently of one another.
Weiter ist es möglich, Schwingungen der Rotorblätter 41 auch an anderen Komponenten der Windenergieanlage 1 zu erfassen, an denen dann entspre chende Schwingungssensoren angeordnet sind. Beispielsweise können Senso ren in der Nabe 42 und/oder entlang des Triebstrangs 5 angeordnet sein, wobei Schwingungen des Rotorblatts 41 , die sich in diesen Sensoren zeigen, anhand z.B. ihres Frequenzbereichs von inhärenten Schwingungen am Triebstrang 5, beispielsweise aufgrund von Zahnradeingriffen im Getriebe 42, unterschieden werden können. Furthermore, it is possible to also detect vibrations of the rotor blades 41 on other components of the wind energy installation 1, on which corresponding vibration sensors are then arranged. For example, sensors can be arranged in the hub 42 and/or along the drive train 5, with vibrations of the rotor blade 41 that show up in these sensors, based on their frequency range, for example, of inherent vibrations on the drive train 5, for example due to gear meshing in the transmission 42, can be distinguished.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung zunächst mögliche Schwin gungszustände 7 eines Rotorblatts, beispielsweise eines der Rotorblätter 41 gemäß Fig. 1. Dargestellt ist eine Schwingungsamplitude auf der vertikalen Achse des Diagramms in Abhängigkeit einer Position entlang des Rotorblatts auf der horizontalen Achse. 2 shows a schematic representation of possible vibration states 7 of a rotor blade, for example one of the rotor blades 41 according to FIG. 1. A vibration amplitude is shown on the vertical axis of the diagram as a function of a position along the rotor blade on the horizontal axis.
Jede der Kurven 71-74 gibt jeweils eine momentane Auslenkung wieder, die charakteristisch für den jeweiligen Schwingungszustand 7 ist. Die Position „0“ auf der horizontalen Achse entspricht der Position der Blattwurzel und die Posi tion „max“ auf der horizontalen Achse entspricht der Position der Blattspitze. Each of the curves 71-74 represents an instantaneous deflection that is characteristic of the vibration state 7 in question. The "0" position on the horizontal axis corresponds to the position of the blade root and the "max" position on the horizontal axis corresponds to the position of the blade tip.
In Fig. 2 sind vier Schwingungszustände 7 dargestellt, ein Grundzustand in Kurve 71 , eine erste Oberschwingung in Kurve 72, die sich durch einen Schwingungsknoten entlang der Erstreckung des Rotorblatts auszeichnet, eine zweite Oberschwingung in Kurve 73, der sich durch zwei Schwingungsknoten auszeichnet und eine dritte Oberschwingung in Kurve 74, die sich durch drei Schwingungsknoten entlang des Rotorblatts auszeichnet. Im Weiteren wird die Grundschwingung gemäß Kurve 71 als erster Eigenfrequenzzustand bezeich net und die erste, zweite und dritte Oberschwingung als zweiter, dritter und vierter Eigenfrequenzzustand. In Fig. 2 four vibrational states 7 are shown, a basic state in curve 71, a first harmonic in curve 72, which is characterized by a vibration node along the extension of the rotor blade, a second harmonic in curve 73, which is characterized by two vibration nodes and one third harmonic in curve 74, which is characterized by three vibration nodes along the rotor blade. In the following, the fundamental according to curve 71 is referred to as the first natural frequency state and the first, second and third harmonic as the second, third and fourth natural frequency state.
In Fig. 2 sind Transversalschwingungen, also Schwingungen in Schwenkrich tung oder Schlagrichtung des Rotorblatts dargestellt. Ein vergleichbares Bild ergibt sich auch für Torsionsschwingungen, also Verdrehungen des Rotorblat tes um seine Längsachse. Beim Betrieb der Eiserkennungsvorrichtung 6 wird für jeden der Sensoren 61 die aus seinen Messsignalen abgeleitete zeitabhängige Schwingungsauslen kung für einen bestimmten Zeitraum aufgezeichnet. 2 shows transverse vibrations, ie vibrations in the pivoting direction or flapping direction of the rotor blade. A comparable picture also emerges for torsional vibrations, i.e. twisting of the rotor blade around its longitudinal axis. During the operation of the ice detection device 6, the time-dependent vibration deflection derived from its measurement signals is recorded for each of the sensors 61 for a specific period of time.
Bevorzugt wird dann ein Amplitudenspektrum aus der in der Zeitdomäne auf gezeichneten Schwingung ermittelt. Die Transformation in den Frequenzbe reich, also die Darstellung als Spektrum, kann beispielsweise mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder einer Wavelet-Transformation erfolgen. Alternativ kann anstelle einer Transformation in den Frequenzbereich eine Er mittlung von Eigenfrequenzzuständen auch im Zeitbereich durch entsprechen de Filterung oder durch stochastische Methoden erfolgen, beispielsweise über die sogenannte „Stochastic-Subspace Identification“ (SSI). An amplitude spectrum is then preferably determined from the oscillation recorded in the time domain. The transformation into the frequency range, ie the representation as a spectrum, can take place, for example, by means of a Fast Fourier Transform (FFT) or a Wavelet Transform. Alternatively, instead of a transformation into the frequency domain, natural frequency states can also be determined in the time domain by appropriate filtering or by stochastic methods, for example using the so-called "Stochastic-Subspace Identification" (SSI).
Fig. 3 zeigt ein beispielsweise über FFT aus den Schwingungsaufzeichnungen im Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiertes Spektrum in einer Spektralkurve 75. Auf der vertikalen Achse ist die Amplitude der Schwingung abhängig von der auf der horizontalen Achse aufgetragenen Frequenz wieder gegeben. 3 shows a spectrum transformed, for example via FFT, from the vibration recordings in the time domain into the frequency domain in a spectral curve 75. The amplitude of the vibration is shown on the vertical axis as a function of the frequency plotted on the horizontal axis.
In dieser Darstellung können Eigenfrequenzzustände auf einfache Weise als Maxima der Spektralkurve 75 identifiziert werden. Die Zuordnung der Maxima zu den verschiedenen Eigenfrequenzzuständen ist durch die aufsteigende Fre quenz möglich. In this representation, natural frequency states can be identified in a simple manner as maxima of the spectral curve 75 . The assignment of the maxima to the different natural frequency states is possible through the increasing frequency.
Die beschriebene Schwingungsmessung und Bildung eines Spektrums wird in regelmäßigen Zeitabständen wiederholt. Durch einen Eisansatz verändern sich die aus dem Spektrum gemäß Fig. 3 ermittelten Eigenfrequenzzustände. Diese sind charakterisiert durch ihre Frequenz sowie eine zugeordnete maximale Amplitude. Zum Erkennen eines Eisansatzes wird ein aktuell gemessenes Spektrum mit einem zuvor in einem eisfreien Zustand aufgezeichneten Refe renzspektrum verglichen. Abweichungen, die über einem spezifizierten Wert liegen, zeigen einen Eisansatz an, wobei der spezifizierte Wert unterschiedlich groß gewählt werden kann, um den Eisansatz mit unterschiedlich hohen Signi fikanzniveaus anzugeben. Bevorzugt ist ein Vergleich des aktuellen Spektrums mit dem Referenzspektrum über den gesamten zugänglichen Frequenzbereich. Es ist jedoch auch denkbar, nur bestimmte Frequenzbereiche auszuwerten bzw. im Vergleich zu berücksichtigen, bis hin zu einer punktuellen Auswertung bei nur einer Frequenz oder mehreren ausgewählten Frequenzen. Unabhängig davon, welcher Frequenzbereich bei dem Vergleich berücksichtigt wird, ist es für eine zuverlässige Erkennung eines Eisansatzes notwendig, eine Referenz, z.B. in Form eines Referenzspektrums, vorliegen zu haben, die in ei nem eisfreien Zustand des Rotorblatts 41 aufgenommen wurde und die das Schwingungsverhalten in dem eisfreien Zustand charakterisiert. In der Regel ist vorgesehen, einen Satz mit verschiedenen Referenzspektren einzusetzen, die bei unterschiedlichen Bedingungen, d. h. zum Beispiel unterschiedlichen Drehzahlen oder Drehzahlenbereichen des Rotors der Windenergieanlage aufgezeichnet wurden. Auch hier besteht die Notwendigkeit, dass die Referenzspektren in einem eisfreien Zustand der Rotorblätter aufgezeichnet wurden. Das Aufzeichnen des Referenzspektrums oder der Referenzspektren wird als Anlernverfahren bezeich net. The vibration measurement and formation of a spectrum described is repeated at regular time intervals. The natural frequency states determined from the spectrum according to FIG. 3 change as a result of ice accretion. These are characterized by their frequency and an associated maximum amplitude. In order to detect ice accumulation, a currently measured spectrum is compared with a reference spectrum previously recorded in an ice-free state. Deviations greater than a specified value are indicative of ice accumulation, and the specified value can be varied in size to indicate ice accumulation with different levels of significance. A comparison of the current spectrum with the reference spectrum over the entire accessible frequency range is preferred. However, it is also conceivable to only evaluate certain frequency ranges or to take them into account in comparison, up to a selective evaluation for only one frequency or several selected frequencies. Irrespective of which frequency range is taken into account in the comparison, for reliable detection of ice accumulation it is necessary to have a reference, e.g. in the form of a reference spectrum, which was recorded when the rotor blade 41 was in an ice-free state and which describes the vibration behavior in characterized in the ice-free state. As a rule, provision is made for using a set with different reference spectra that were recorded under different conditions, ie for example different speeds or speed ranges of the rotor of the wind energy installation. Here, too, there is a need for the reference spectra to be recorded when the rotor blades were in an ice-free state. The recording of the reference spectrum or spectra is referred to as a teach-in procedure.
Um nach einer Installation einer Windenergieanlage mit einer Eiserkennungsvor richtung zum Erkennen eines Eisansatzes bzw. nach einer Nachrüstung einer solchen Eiserkennungsvorrichtung die Eiserkennungsvorrichtung möglichst schnell einsatzbereit zu bekommen, wird in dem anmeldungsgemäßen Anlernver fahren ein eisfreier Zustand der Rotorblätter der Windenergieanlage unabhängig von einer Außentemperatur erkannt. Bei einer erhöhten Außentemperatur, bei spielsweise einer Außentemperatur über 5°C, kann ein Eisansatz ausgeschlos sen werden. Umgekehrt ist jedoch nicht notwendigerweise ein Eisansatz vorhan den, nur weil die Außentemperatur unterhalb dieses Wertes liegt. Bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren wird daher ein von der Außentemperatur unabhängiger Indikator für eine Eisfreiheit genutzt, um möglicherweise auch bei niedrigerer Au ßentemperatur bereits Referenzspektren aufzeichnen zu können. In order to get the ice detection device ready for use as quickly as possible after installing a wind turbine with an ice detection device for detecting ice build-up or after retrofitting such an ice detection device, an ice-free state of the rotor blades of the wind turbine is detected independently of an outside temperature in the training process according to the application. If the outside temperature is higher, for example if the outside temperature is above 5°C, ice formation can be ruled out. Conversely, however, there is not necessarily an accumulation of ice just because the outside temperature is below this value. In the method according to the invention, therefore, an indicator for freedom from ice that is independent of the outside temperature is used in order to be able to record reference spectra, possibly even at a lower outside temperature.
Das Anlernverfahren basiert auf einem Vergleich einer von der Windenergieanla ge produzierten elektrischen Leistung mit einer erwarteten elektrischen Leistung. Der Quotient aus der produzierten elektrischen Leistung und der erwarteten elektrischen Leistung wird auch als Effizienz der Windenergieanlage bezeichnet. Zur Bestimmung der Effizienz sind die Betriebsbedingungen der Windenergiean lage zu berücksichtigen, insbesondere eine Windgeschwindigkeit und ggf. auch eine Umgebungs- und /oder Blatttemperatur. The training method is based on a comparison of the electrical power produced by the wind energy plant with an expected electrical power. The quotient of the electrical power produced and the expected electrical power is also referred to as the efficiency of the wind turbine. To determine the efficiency, the operating conditions of the wind energy plant must be taken into account, in particular a wind speed and possibly also an ambient and/or blade temperature.
Figur 4 zeigt in Form eines schematischen Diagramms eine Abhängigkeit einer Effizienz e, also des Quotienten zwischen tatsächlich produzierter und erwarteter elektrischer Leistung, in Abhängigkeit von einer sich am Rotor der Windenergie anlage befindenden Eismenge m. In dem schematischen Diagramm ist die Eis menge m auf der horizontalen Achse nach rechts anwachsend in willkürlichen Einheiten dargestellt. Die Effizienz e ist auf der vertikalen Achse in einem Wer tebereich von 0 bis 100 % wiedergegeben. Das Diagramm zeigt die Abnahme der Effizienz von einem Wert von 100 % bei eisfreiem Rotor mit steigender Eismenge m. Es ist ein vorgegebener Schwellenwert eo der Effizienz e eingezeichnet, der im dargestellten Beispiel bei etwa 65 % liegt. Wenn die Effizienz e der Windenergie anlage oberhalb dieses Schwellenwertes eo liegt, kann davon ausgegangen wer den, dass kein oder ein nur sehr geringer Eisansatz maximal einer Menge mo sich am Rotor befindet. Wird ein derartiger Betriebszustand identifiziert, können auf genommene Schwingungsspektren der Überwachungseinrichtung als Referenz spektren angesehen werden und entsprechend abgespeichert werden. In the form of a schematic diagram, FIG. 4 shows a dependency of an efficiency e, i.e. the quotient between the electrical power actually produced and the expected electrical power, as a function of the amount of ice m on the rotor of the wind turbine horizontal axis increasing to the right in arbitrary Units shown. The efficiency e is shown on the vertical axis in a value range from 0 to 100%. The diagram shows the decrease in efficiency from a value of 100% with an ice-free rotor as the amount of ice m increases. A predetermined threshold value eo of efficiency e is shown, which is around 65% in the example shown. If the efficiency e of the wind turbine is above this threshold value eo, it can be assumed that there is no or only a very small amount of ice on the rotor, at most a quantity mo. If such an operating state is identified, vibration spectra recorded by the monitoring device can be viewed as reference spectra and stored accordingly.
Figur 5 zeigt in Form eines Flussdiagramms ein Ausführungsbeispiel eines An lernverfahrens detaillierter. Das in Figur 5 gezeigte Verfahren kann beispielsweise mit der Windenergieanlage 1 gemäß Figur 1 durchgeführt werden und wird daher nachfolgend beispielhaft mit Verweis auf Figur 1 erläutert. FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a training method in more detail in the form of a flow chart. The method shown in FIG. 5 can be carried out, for example, with the wind energy installation 1 according to FIG. 1 and is therefore explained below by way of example with reference to FIG.
In einem ersten Schritt S1 wird für die Windenergieanlage, z. B. die Windenergie anlage 1 gemäß Figur 1 , ein Modell erstellt, das eine zu erwartende Leistung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen wie z. B. Windgeschwindigkeit, Tempera tur, Drehzahl des Rotors 4 bei eisfreien Rotorblättern 41 und Anstellwinkel der Rotorblätter 41 erstellt. Bevorzugt werden vorhandene Messwerte zugrunde ge legt, die für eine bereits installierte Windenergieanlage des gleichen Typs aufge nommen wurden. Wird die Überwachungsvorrichtung 6 nachgerüstet, kann ggf. auch auf zuvor erfasste Messwerte an der konkreten Windenergieanlage 1 zu rückgegriffen werden. Falls Messwerte nicht über den gesamten benötigten Pa rameterbereich der Betriebs- und Umgebungsbedingungen vorliegen, kann aus gemessenen Werten durch Regressionsrechnung der Bereich ausgedehnt wer den. In a first step S1, for the wind turbine, z. B. the wind energy plant 1 according to Figure 1, a model created that an expected performance under different operating conditions such. B. wind speed, tempera ture, speed of the rotor 4 with ice-free rotor blades 41 and the angle of attack of the rotor blades 41 created. Existing measured values that were recorded for an already installed wind energy installation of the same type are preferably used as a basis. If the monitoring device 6 is retrofitted, it may also be possible to fall back on previously recorded measured values on the specific wind energy installation 1 . If measured values are not available over the entire required parameter range of the operating and ambient conditions, the range can be extended from measured values by regression calculation.
In einem nächsten Schritt S2 werden die dem Modell zugrunde liegenden Be triebs- und Umgebungsbedingungen an der Windenergieanlage 1 im Betrieb be stimmt. In a next step S2, the operating and environmental conditions on which the model is based are determined at the wind turbine 1 during operation.
In einem folgenden Schritt S3 kann anhand der in Schritt S2 gemessenen Be triebs- und Umgebungsbedingungen die zu erwartende Leistung der Windener gieanlage 1 aus dem im Schritt S1 generierten Modell abgeschätzt werden. In a subsequent step S3, the expected power of the wind energy plant 1 can be estimated from the model generated in step S1 on the basis of the operating and environmental conditions measured in step S2.
Im folgenden Schritt S4 wird ein Unterschied zwischen der tatsächlich gemesse nen und der erwarteten Leistung bestimmt, bevorzugt als Verhältnis, ggf. in ande- ren Ausführungsbeispielen auch als Differenz. Das Verhältnis entspricht der in Fi gur 3 dargestellten Effizienz e der Windenergieanlage. Weiter wird in dem Schritt S4 die ermittelte Effizienz e mit einem vorgegebenen Schwellenwert eo vergli chen. Mögliche Grenzwerte liegen im Bereich von etwa 60 - 95 %. Ein Unter schreiten des Schwellenwerts eo deutet darauf hin, dass die Rotorblätter 41 nicht eisfrei sind. Das Verfahren verzweigt in dem Fall zurück zum Schritt S2, um er neut Betriebsparameter zu bestimmen und eine Leistungsmessung durchzufüh ren. Da sich eine Eisfreiheit nicht innerhalb von kürzester Zeit ändert, kann eine Pause von z.B. einigen Stunden vorgesehen sein, bevor das Verfahren die Schrit te S2 ff. wiederholt. In the following step S4, a difference between the power actually measured and the power expected is determined, preferably as a ratio, possibly in other ren embodiments as a difference. The ratio corresponds to the efficiency e of the wind turbine shown in FIG. Furthermore, in step S4, the determined efficiency e is compared with a predefined threshold value eo. Possible limit values are in the range of about 60 - 95%. Falling below the threshold value eo indicates that the rotor blades 41 are not free of ice. In this case, the method branches back to step S2 in order to determine operating parameters again and carry out a power measurement. Since the absence of ice does not change within a very short time, a pause of, for example, a few hours can be provided before the method continues with the steps S2 ff. repeated.
Wird im Schritt S4 dagegen festgestellt, dass der vorgegebene Schwellenwert eo für die Effizienz e überschritten ist, wird das Verfahren mit einem Schritt S5 fort geführt, in dem durch die Überwachungsvorrichtung 6 mithilfe der Sensoren 61 Schwingungen der Rotorblätter 41 aufgezeichnet werden, deren Spektrum als Referenzspektrum für die im Schritt S2 erfassten Betriebs- und Umgebungsbe dingungen abgespeichert wird. If, on the other hand, it is determined in step S4 that the predefined threshold value eo for the efficiency e has been exceeded, the method is continued with a step S5, in which the monitoring device 6 uses the sensors 61 to record vibrations of the rotor blades 41, the spectrum of which serves as a reference spectrum is stored for the operating and environmental conditions recorded in step S2.
In einem Schritt S6 wird danach überprüft, ob Referenzspektren in ausreichender Anzahl und Qualität für einen ausreichend großen Bereich an Betriebs- und Um gebungsbedingungen vorliegen. Ist das nicht der Fall, verzweigt das Verfahren erneut zurück zum Schritt S2, um - wiederum ggf. nach einer Wartezeit - weitere Referenzspektren bei anderen Betriebs- und Umgebungsbedingungen aufzeich nen zu können. Wird im Schritt S6 festgestellt, dass ein ausreichend großer und qualitativ geeigneter Satz an Referenzspektren vorliegt, ist die Anlernphase für die Überwachungsvorrichtung 6 abgeschlossen und die Überwachungsvorrich tung 6 kann in einem Schritt S7 im regulären Überwachungsbetrieb betrieben werden. In a step S6, it is then checked whether reference spectra are available in sufficient number and quality for a sufficiently large range of operating and environmental conditions. If this is not the case, the method branches back to step S2 again in order—again, possibly after a waiting time—to be able to record further reference spectra under different operating and environmental conditions. If it is determined in step S6 that a sufficiently large and qualitatively suitable set of reference spectra is present, the training phase for the monitoring device 6 is complete and the monitoring device 6 can be operated in the regular monitoring mode in a step S7.
Das gezeigte Verfahren kann mit einem bekannten Anlernverfahren kombiniert werden, bei dem Referenzspektren aufgezeichnet werden, wenn die Außentem peratur so hoch ist, beispielsweise über 5°C liegt, dass mit hoher Wahrscheinlich keit von einer Eisfreiheit der Rotorblätter 41 ausgegangen werden kann. The method shown can be combined with a known training method in which reference spectra are recorded when the outside temperature is so high, for example above 5° C., that it can be assumed with a high degree of probability that the rotor blades 41 are free of ice.
Durch das anmeldungsgemäße Verfahren kann die Dauer der Anlernphase ver kürzt werden, da u.U. nach erfolgtem Leistungsvergleich Referenzspektren für die Überwachungsvorrichtung auch dann aufgezeichnet werden können, wenn eine Eisfreiheit von der Außentemperatur nicht abgeleitet werden kann. Bezugszeichen The method according to the application allows the duration of the learning phase to be shortened, since under certain circumstances reference spectra for the monitoring device can also be recorded after the performance comparison has taken place if freedom from ice cannot be derived from the outside temperature. Reference sign
1 Windenergieanlage 1 wind turbine
2 Turm 3 Gondel 2 tower 3 nacelle
4 Rotor 4 rotors
41 Blatt 41 sheets
42 Nabe 43 Spinner 42 hub 43 spinner
5 Triebstrang 5 drive train
51 Rotorwelle 51 rotor shaft
52 Getriebe 53 Getriebewelle 52 gear 53 gear shaft
54 Kupplung 54 clutch
55 Generator 55 Generator
6 Überwachungsvorrichtung 61 Sensor 6 monitoring device 61 sensor
62 Sensorleitung 62 sensor line
63 Auswerteeinheit 63 evaluation unit
7 Schwingungszustand 71-74 Kurve 7 vibrational state 71-74 curve
75 Spektral kurve 75 spectral curve
S1-S7 Schritt S1-S7 step

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Verfahren zum Anlernen einer Vorrichtung (6) zum Erkennen eines Eisan satzes an mindestens einem Rotorblatt (41 ) einer Windenergieanlage (1 ) mit den folgenden Schritten: 1 . Method for teaching a device (6) for detecting an accumulation of ice on at least one rotor blade (41) of a wind turbine (1), with the following steps:
- Bestimmen von Betriebs- und Umgebungsbedingungen im Betrieb der Windenergieanlage (1 ); - Determining operating and environmental conditions during operation of the wind turbine (1);
- Ermitteln einer bei den bestimmten Betriebs- und Umgebungsbedin gungen zu erwartenden elektrischen Leistung der Windenergieanlage (1 ); - Determining an electrical output of the wind turbine (1) to be expected given the specific operating and environmental conditions;
- Messen einer tatsächlich von der der Windenergieanlage (1 ) erzeugten elektrischen Leistung; - Measuring an electrical power actually generated by the wind turbine (1);
- Vergleichen der zu erwartenden elektrischen Leistung der Windener gieanlage (1 ) mit der von ihr tatsächlich erzeugten elektrischen Leis tung; - Comparing the expected electrical power of the wind energy plant (1) with the electrical power actually generated by it;
- Abhängig von einem Ergebnis des Vergleichs ermitteln, ob das mindes tens eine Rotorblatt (41 ) mit hoher Wahrscheinlichkeit eisfrei ist; und- As a function of a result of the comparison, determine whether the at least one rotor blade (41) has a high probability of being ice-free; and
- Erfassen von Schwingungen des mindestens einen Rotorblatts (41 ), Ableiten charakteristischer Eigenschaften der Schwingungen und Ab speichern der charakteristischen Eigenschaften als Referenz für die Vorrichtung (6) zum Erkennen eines Eisansatzes, falls in dem Ver gleich ermittelt wurde, dass das mindestens eine Rotorblatt (41 ) mit hoher Wahrscheinlichkeit eisfrei ist. - Detecting vibrations of the at least one rotor blade (41), deriving characteristic properties of the vibrations and storing the characteristic properties as a reference for the device (6) for detecting ice accumulation if it was determined in the comparison that the at least one rotor blade ( 41 ) is ice-free with a high probability.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Betriebs- und Umgebungsbedin gungen eine Windgeschwindigkeit, eine Umgebungs- und /oder Blatttem peratur, ein Anstellwinkel mindestens eines Rotorblattes (41 ) und/oder ei ne Drehzahl eines Rotors (4) der Windenergieanlage (1 ) umfassen. 2. The method as claimed in claim 1, in which the operating and environmental conditions are a wind speed, an environmental and/or blade temperature, an angle of attack of at least one rotor blade (41) and/or a speed of a rotor (4) of the wind turbine (1st ) include.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zu erwartenden elektri schen Leistung anhand eines Modells bestimmt wird, das gemessene Leistungen bei gemessenen Betriebs- und Umgebungsbedingungen wi derspiegelt. 3. The method as claimed in claim 1 or 2, in which the electrical power to be expected is determined using a model which reflects measured power under measured operating and environmental conditions.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Leistungen einer mit der Wind energieanlage (1 ) vergleichbaren Windenergieanlage gemessen sind. 4. The method as claimed in claim 3, in which the performance of a wind energy installation which is comparable to the wind energy installation (1) is measured.
5. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Leistungen an der Windenergie anlage (1 ) selbst gemessen sind. 5. The method as claimed in claim 3, in which the powers are measured at the wind energy plant (1) itself.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Schritt des Ver- gleichens ein Quotient zwischen der tatsächlich erzeugten elektrischen Leistung und der zu erwartenden elektrischen Leistung der Windenergie anlage (1 ) gebildet wird und mit einem vorgegebenen Schwellenwert ver- glichen wird. 6. The method as claimed in one of claims 1 to 5, in which, in the comparison step, a quotient is formed between the electrical power actually generated and the electrical power to be expected from the wind turbine (1) and is compared with a predetermined threshold value .
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem bei einem Überschreiten des Schwel lenwerts angenommen wird, dass das mindestens eine Rotorblatt (41) eis frei ist. 7. The method as claimed in claim 6, in which, if the threshold value is exceeded, it is assumed that the at least one rotor blade (41) is free of ice.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Schwellenwert zwischen 60% und 95% und bevorzugt zwischen 80% und 95% liegt. 8. The method according to claim 6 or 7, wherein the threshold is between 60% and 95% and preferably between 80% and 95%.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die charakteristi- sehen Eigenschaften der Schwingungen eine Frequenz und/oder Amplitu de eines Schwingungszustands betreffen. 9. The method as claimed in one of claims 1 to 8, in which the characteristic properties of the oscillations relate to a frequency and/or amplitude of an oscillation state.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schwingungszustand dem eines Maximums in einem Schwingungsspektrum der Schwingungen entspricht. 10. The method as claimed in claim 9, in which the vibrational state corresponds to that of a maximum in a vibrational spectrum of the vibrations.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die charakteristi schen Eigenschaften der Schwingungen zumindest einen Frequenzbereich aus einem Spektrum der Schwingungen betreffen. 11. The method as claimed in one of claims 1 to 8, in which the characteristic properties of the vibrations relate to at least one frequency range from a spectrum of the vibrations.
12. Vorrichtung zum Erkennen eines Eisansatzes an mindestens einem Ro torblatt (41) einer Windenergieanlage (1), bei der Eis anhand von Eigen schwingungsmessungen an dem mindestens einen Rotorblatt (41) detek- tiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Anlernverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist. 12. A device for detecting the accumulation of ice on at least one rotor blade (41) of a wind turbine (1), in which ice is detected on the basis of natural vibration measurements on the at least one rotor blade (41), characterized in that the device for carrying out a Training method according to one of claims 1 to 11 is set up.
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