JP2020502412A - 風力タービンの運転方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかしながら、この種の方位角位置の調整は、嵐がどのように発生するかにもよるが、依然として風力タービンの高負荷をもたらす可能性がある。嵐の間に異なる風向きが発生し、いわゆる斜めの入射流が発生する場合、それは特に問題となる可能性がある。
本発明は、請求項1に記載の方法、具体的には、風力タービンを制御するための方法を提案する。ここで、制御は、厳密な制御理論の意味で理解されることを意図するものではなく、むしろ、異なるタービン部品を制御することができるタービンコントローラの意味で理解されることを意図しており、これは、情報のフィードバックを含む。
空力ロータは、その方位方向に関して調整され、これは、通常、空力ロータが設置されているナセル全体をその方位方向に関して、すなわち、風に関連するその方向性に関して、調整されることによって行われる。
ここで、ロータブレードへの負荷が大きさおよび方向に関して検出され、ロータブレードがこの突風から完全にまたは少なくとも部分的に回転させられることが特に可能である。これはまた、ロータブレードが前記突風に対して個々のフェザー位置に回転され、その負荷が検出されたことによっても説明される。特に、これはまた、ロータブレードが主風向きに対してフェザー位置を超えて回転されることを意味することができ、これは、前記突風が到来する方向に応じて、ここで、より識別し易いように主にフェザー位置と呼ばれる。前記主なフェザー位置が、例えば、主風向きに対して90度の値を有する場合、本発明は、前記90度を超えてより高い値までブレードを回転させること、または、この例では、負荷方向に応じて前記90度よりも低い値まで前記ブレードを回転させることを提案する。
この目的のために、本発明は、好ましくは、PIコントローラを用いることを提案する。設定値負荷と実際の負荷との間の記載された設定値/実際値の比較が、設定値角度を出力値として供給するPI要素に渡されるように、PI制御装置を設けることができる。この設定点角度は、例えば、フェザー位置からの偏差を識別することができるため、値0は、フェザー位置、特に主なフェザー位置に対応する。負荷設定値が0の場合、検出された負荷はPIエレメントに直接渡される。
専用の制御装置が各ロータブレードに対して設けられることが好ましく、前記制御装置は、ロータブレードを調整するためのブレード調整装置に隣接して配置されることが好ましい。したがって、負荷センサを使用して、個々のロータブレードごとに、負荷を検出して問題のロータブレードの制御装置に渡すことができる。制御装置は、前記負荷に応じて、特に負荷センサによって検出される負荷が最小限に抑えられ、少なくとも軽減されるように、ブレード調整装置を作動させることができる。
この目的のために、一態様によれば、風速の所定の限界突風を基礎として捉えることができる。前記風速の限界突風を超えると、調整が開始される。それに加えてまたはその代わりとして、基準としての所定の風速差もまた基礎としてとられることができる。この場合、チェックされるのは風の突風の絶対速度ではなく、むしろ風の突風が卓越風の平均風速をどの程度強くまたはどの程度上回るかである。ここでは、例えば、検出された風速の10分平均を基準とすることができる。このようにして、原則として風速のある程度の変動が考慮される。例えば、風速の限界突風と風速差を超えた場合にのみ調整が行われることによって、両方の基準が同時にチェックされ、基準として採用されることも可能である。しかしながら、この場合、それぞれの場合において、風速の限界突風および/または風速差をより低い値に規定することが好都合であり得る。
各ロータブレードは、検出された突風に応じて、フェザー位置、特に主なフェザー位置よりも大きいブレード角度と小さいブレード角度の両方をとることができることが好ましい。今日まで、ブレード角度が約0度または数度であるときの部分負荷モードでの動作位置から、一般に、約90度であるフェザー位置まで、ロータブレードの調節を制限することが慣例であった。この種の制限は一般に、ロータブレードの過度の回転を防止する機械的スイッチによっても規定されていた。ここで、本発明は、この種のスイッチを省き、この90度位置をかなり超えて回転させること、特に100°位置を超えて回転させることを可能にすることを提案する。このようにして排除されることを意図された前記安全性チェックは、代わりに、対応するソフトウェア、好ましくは冗長ソフトウェアチェックによって置き換えることができる。この種のチェックは、負荷軽減モードが起動されているか否かを判定することを含むことが好ましい。したがって、負荷軽減モードが起動されると、主なフェザー位置をかなり超えて各ロータブレードを過度に回転させることが許容されるが、この種の主なフェザー位置を超えてロータブレードを調整すると、故障メッセージまたは少なくとも1つの故障メッセージが生じる。負荷軽減モードが無効になっている場合には、警告メッセージが表示される。
記載された負荷軽減モードは、問題のロータブレードの負荷が最小になるようにブレード調整が行われるように動作することが好ましい。このため、有利なことに、単一のセンサの測定値のみが基準としてとられる。この目的のために、複数のセンサを使用することも可能であって、その場合、1つの提案によれば、両方のセンサの測定値を組み合わせて測定値を形成し、これを制御装置にフィードバックすることができる。しかしながら、風が吹くとき、特に嵐の風が吹くときは、当然のことながら、負荷がロータブレードに作用することに留意すべきである。よって、ロータブレードに掛かる負荷は、0に補正することはできない。しかし、特に、ロータブレードの輪郭の記載された翼弦に対して横方向に発生する負荷は、攻撃風の方向に応じてそれらの数学的符号を変えることができる。例示的に言えば、ロータブレードは2つの方向に曲がることができ、これらの方向の一方は、正の負荷として検出または考慮され、他方は、負の負荷として検出または考慮されることができる。
図2は、例示的な方法で、負荷軽減モードを実施するために、同様に概略的に示されたロータブレード202のブレード角度を制御する制御構造200を示す。ロータブレード長手方向軸204は、ロータブレード202内に一点鎖線として概略的に描かれており、翼弦206は、同様に、非常に概略的な方法でロータブレード202の中央領域に一点鎖線として描かれている。負荷センサ208は、同様に、ロータブレード202の根元領域210に示されている。
eとも表されるこの設定値/実際値の差は、次いで、PI制御ブロック220に入力される。PIコントローラは、負荷、ひいては負荷の最小化をもたらすブレード調整を特に提案するように提案される。負荷信号LMは、制御偏差eが値0を有していても維持される。しかしながら、他の制御装置も使用することができ、または、例えば、D成分などのさらなる構成要素も、例えば、制御ダイナミクスに任意に影響を与えるために追加することができる。
負荷センサ308は、負荷信号LMを検出することができ、制御装置334に前記負荷信号を伝送することができる。ここで、制御装置334は、マイクロプロセッサとして示され、図2の構造の一部、特にそこに示されている合計点218およびPI制御ブロック220を含むことができる。ピッチブロック222も、制御装置334の一部とすることができる。
しかし、突風制限ブロック446において突風が突風制限より大きいことが確認された場合、負荷軽減モードがさらに起動される。これは、アイドルブロック448によって表される。アイドルブロック448によるこの負荷軽減モードでは、例えば、図2に概略的に示すように、制御動作が起動される。言い換えれば、このプロセス構造400によれば、図2による前記制御動作は、これが突風制限ブロック446の突風によってトリガされたときにのみ起動される。したがって、ストームブロック444による嵐モードでは、図2に係る制御運転は、そこに示されている方法では、まだアクティブではないことが好ましい。
記載された発明は、特に、高い風速における風力タービンの制御に関する。風力タービンは、高い風速で通常の生産モードを停止し、惰行モードに切り替わることが知られている。このプロセスでは、単純化のためブレードとも呼ばれることがあるロータブレードは、風から離れていわゆるフェザー位置に回転し、その結果、前記ロータブレードは、そこからエネルギーを全く引き出さないか、または入射空気からほんのわずかしかエネルギーを引き出さない。フェザー位置にあるタービンは、回転しないか、わずかしか回転しない。これを惰行または惰行モードと呼ばれる。
提案された解決策は、ここでは、特に、PI制御装置によって負荷信号がゼロに調整されることによってブレード負荷信号を制御することにより、それに応じてフェザー位置が適合されるように準備する。これは、すべてのブレードに対して別々にまたは個別に実行される。それぞれ最適なブレード角度は、90°での通常のフェザー位置とは著しく異なる可能性があり、制御操作によって決定される。
この目的のために、突風識別装置が実施されることが好ましく、これは必要に応じて負荷軽減モードを起動する。そして、これは、特に、PIコントローラを用いてブレード角度を最小のブレード衝撃負荷に調整することが好ましい。これは、フェザー位置からずれているブレード角度の補正につながる。
しかしながら、この種の方位角位置の調整は、嵐がどのように発生するかにもよるが、依然として風力タービンの高負荷をもたらす可能性がある。嵐の間に異なる風向きが発生し、いわゆる斜めの入射流が発生する場合、それは特に問題となる可能性がある。
本発明は、請求項1に記載の方法、具体的には、風力タービンを制御するための方法を提案する。ここで、制御は、厳密な制御理論の意味で理解されることを意図するものではなく、むしろ、異なるタービン部品を制御することができるタービンコントローラの意味で理解されることを意図しており、これは、情報のフィードバックを含む。
空力ロータは、その方位方向に関して調整され、これは、通常、空力ロータが設置されているナセル全体をその方位方向に関して、すなわち、風に関連するその方向性に関して、調整されることによって行われる。
ここで、ロータブレードへの負荷が大きさおよび方向に関して検出され、ロータブレードがこの突風から完全にまたは少なくとも部分的に回転させられることが特に可能である。これはまた、ロータブレードが前記突風に対して個々のフェザー位置に回転され、その負荷が検出されたことによっても説明される。特に、これはまた、ロータブレードが主風向きに対してフェザー位置を超えて回転されることを意味することができ、これは、前記突風が到来する方向に応じて、ここで、より識別し易いように主にフェザー位置と呼ばれる。前記主なフェザー位置が、例えば、主風向きに対して90度の値を有する場合、本発明は、前記90度を超えてより高い値までブレードを回転させること、または、この例では、負荷方向に応じて前記90度よりも低い値まで前記ブレードを回転させることを提案する。
この目的のために、本発明は、好ましくは、PIコントローラを用いることを提案する。設定値負荷と実際の負荷との間の記載された設定値/実際値の比較が、設定値角度を出力値として供給するPI要素に渡されるように、PI制御装置を設けることができる。この設定点角度は、例えば、フェザー位置からの偏差を識別することができるため、値0は、フェザー位置、特に主なフェザー位置に対応する。負荷設定値が0の場合、検出された負荷はPIエレメントに直接渡される。
専用の制御装置が各ロータブレードに対して設けられることが好ましく、前記制御装置は、ロータブレードを調整するためのブレード調整装置に隣接して配置されることが好ましい。したがって、負荷センサを使用して、個々のロータブレードごとに、負荷を検出して問題のロータブレードの制御装置に渡すことができる。制御装置は、前記負荷に応じて、特に負荷センサによって検出される負荷が最小限に抑えられ、少なくとも軽減されるように、ブレード調整装置を作動させることができる。
この目的のために、一態様によれば、風速の所定の限界突風を基礎として捉えることができる。前記風速の限界突風を超えると、調整が開始される。それに加えてまたはその代わりとして、基準としての所定の風速差もまた基礎としてとられることができる。この場合、チェックされるのは風の突風の絶対速度ではなく、むしろ風の突風が卓越風の平均風速をどの程度強くまたはどの程度上回るかである。ここでは、例えば、検出された風速の10分平均を基準とすることができる。このようにして、原則として風速のある程度の変動が考慮される。例えば、風速の限界突風と風速差を超えた場合にのみ調整が行われることによって、両方の基準が同時にチェックされ、基準として採用されることも可能である。しかしながら、この場合、それぞれの場合において、風速の限界突風および/または風速差をより低い値に規定することが好都合であり得る。
各ロータブレードは、検出された突風に応じて、フェザー位置、特に主なフェザー位置よりも大きいブレード角度と小さいブレード角度の両方をとることができることが好ましい。今日まで、ブレード角度が約0度または数度であるときの部分負荷モードでの動作位置から、一般に、約90度であるフェザー位置まで、ロータブレードの調節を制限することが慣例であった。この種の制限は一般に、ロータブレードの過度の回転を防止する機械的スイッチによっても規定されていた。ここで、本発明は、この種のスイッチを省き、この90度位置をかなり超えて回転させること、特に100°位置を超えて回転させることを可能にすることを提案する。このようにして排除されることを意図された前記安全性チェックは、代わりに、対応するソフトウェア、好ましくは冗長ソフトウェアチェックによって置き換えることができる。この種のチェックは、負荷軽減モードが起動されているか否かを判定することを含むことが好ましい。したがって、負荷軽減モードが起動されると、主なフェザー位置をかなり超えて各ロータブレードを過度に回転させることが許容されるが、この種の主なフェザー位置を超えてロータブレードを調整すると、故障メッセージまたは少なくとも1つの故障メッセージが生じる。負荷軽減モードが無効になっている場合には、警告メッセージが表示される。
記載された負荷軽減モードは、問題のロータブレードの負荷が最小になるようにブレード調整が行われるように動作することが好ましい。このため、有利なことに、単一のセンサの測定値のみが基準としてとられる。この目的のために、複数のセンサを使用することも可能であって、その場合、1つの提案によれば、両方のセンサの測定値を組み合わせて測定値を形成し、これを制御装置にフィードバックすることができる。しかしながら、風が吹くとき、特に嵐の風が吹くときは、当然のことながら、負荷がロータブレードに作用することに留意すべきである。よって、ロータブレードに掛かる負荷は、0に補正することはできない。しかし、特に、ロータブレードの輪郭の記載された翼弦に対して横方向に発生する負荷は、攻撃風の方向に応じてそれらの数学的符号を変えることができる。例示的に言えば、ロータブレードは2つの方向に曲がることができ、これらの方向の一方は、正の負荷として検出または考慮され、他方は、負の負荷として検出または考慮されることができる。
図2は、例示的な方法で、負荷軽減モードを実施するために、同様に概略的に示されたロータブレード202のブレード角度を制御する制御構造200を示す。ロータブレード長手方向軸204は、ロータブレード202内に一点鎖線として概略的に描かれており、翼弦206は、同様に、非常に概略的な方法でロータブレード202の中央領域に一点鎖線として描かれている。負荷センサ208は、同様に、ロータブレード202の根元領域210に示されている。
eとも表されるこの設定値/実際値の差は、次いで、PI制御ブロック220に入力される。PIコントローラは、負荷、ひいては負荷の最小化をもたらすブレード調整を特に提案するように提案される。負荷信号LMは、制御偏差eが値0を有していても維持される。しかしながら、他の制御装置も使用することができ、または、例えば、D成分などのさらなる構成要素も、例えば、制御ダイナミクスに任意に影響を与えるために追加することができる。
負荷センサ308は、負荷信号LMを検出することができ、制御装置334に前記負荷信号を伝送することができる。ここで、制御装置334は、マイクロプロセッサとして示され、図2の構造の一部、特にそこに示されている合計点218およびPI制御ブロック220を含むことができる。ピッチブロック222も、制御装置334の一部とすることができる。
しかし、突風制限ブロック446において突風が突風制限より大きいことが確認された場合、負荷軽減モードがさらに起動される。これは、アイドルブロック448によって表される。アイドルブロック448によるこの負荷軽減モードでは、例えば、図2に概略的に示すように、制御動作が起動される。言い換えれば、このプロセス構造400によれば、図2による前記制御動作は、これが突風制限ブロック446の突風によってトリガされたときにのみ起動される。したがって、ストームブロック444による嵐モードでは、図2に係る制御運転は、そこに示されている方法では、まだアクティブではないことが好ましい。
記載された発明は、特に、高い風速における風力タービンの制御に関する。風力タービンは、高い風速で通常の生産モードを停止し、惰行モードに切り替わることが知られている。このプロセスでは、単純化のためブレードとも呼ばれることがあるロータブレードは、風から離れていわゆるフェザー位置に回転し、その結果、前記ロータブレードは、そこからエネルギーを全く引き出さないか、または入射空気からほんのわずかしかエネルギーを引き出さない。フェザー位置にあるタービンは、回転しないか、わずかしか回転しない。これを惰行または惰行モードと呼ばれる。
提案された解決策は、ここでは、特に、PI制御装置によって負荷信号がゼロに調整されることによってブレード負荷信号を制御することにより、それに応じてフェザー位置が適合されるように準備する。これは、すべてのブレードに対して別々にまたは個別に実行される。それぞれ最適なブレード角度は、90°での通常のフェザー位置とは著しく異なる可能性があり、制御操作によって決定される。
この目的のために、突風識別装置が実施されることが好ましく、これは必要に応じて負荷軽減モードを起動する。そして、これは、特に、PIコントローラを用いてブレード角度を最小のブレード衝撃負荷に調整することが好ましい。これは、フェザー位置からずれているブレード角度の補正につながる。
Claims (14)
- 風力タービン(100)は、ロータハブおよびブレード角度を調整可能なロータブレード(202)を有する空力ロータ(106)を有し、
前記空力ロータ(106)は、その方位に関して調整可能であって、
卓越風が強すぎて前記風力タービン(100)が自己防護目的で惰性モードに移行する嵐の状況を検出するステップと、
方位角位置に関して、風に対して前記ロータ(106)を低負荷方向に向け、その方向では前記風力タービン(100)が主風向きから風によってできる限り少ない負荷を受けるステップと、
突風によって引き起こされ前記ロータに作用する少なくとも1つの負荷(LM)を検出するステップと、
少なくとも1つの前記ロータブレード(202)が原因となる突風によって可能な限り小さい負荷を受けるように、そのブレード角度に関して少なくとも1つの前記ロータブレード(202)を調整するステップと、
を備えている風力タービン(100)の運転方法。 - 少なくとも1つの前記ロータブレード(202)は、検出されたブレード負荷(LM)に応じて調整され、前記検出されたブレード負荷(LM)は、負荷制御装置に入力され、前記負荷制御装置は、前記負荷(LM)が最小化されるように、特に、前記負荷制御装置がPIコントローラまたはPDコントローラとして具体化されるように、前記検出された負荷(LM)に応じて前記ロータブレード(202)のブレード角度を調整する、
請求項1に記載の方法。 - 少なくとも1つの負荷センサ(208)が、前記ロータブレード(202)上に、または、各ロータブレード(202)ごとに前記ロータブレード(202)を前記ロータハブに締結する領域に、設けられており、
前記負荷信号(LM)によって検出される負荷(LM)を最小化するため、または少なくとも減少させるために、前記負荷信号に応じて前記ロータブレード(202)の調整を実行するために、少なくとも1つの前記負荷センサ(208)から前記ロータブレード(202)の制御装置(334)へ負荷信号(LM)がフィードバックされる、
請求項1または2に記載の方法。 - 前記ロータ(106)を風に対して低負荷の向きに向けると、前記ロータブレード(202)は羽毛状の位置に移動し、この位置から出発して各前記ロータブレード(202)は、羽毛状の位置に対する角度偏差についてのそのブレード角度に関して、それぞれ調整される、
請求項1から3のいずれか1つに記載の方法。 - そのブレード角度に関する少なくとも1つの前記ロータブレード(202)の調整は、まず、風の原因となる突風が以下の基準を含むリストから選択される少なくとも1つの基準を満たす場合に実施される、
−原因となる風の突風は、所定の限界風速の突風を上回る風速を有する、
−原因となる風の突風は、少なくとも所定の風速差だけ卓越風の平均風速を上回る風速を有する、
−原因となる突風は、少なくとも所定の風向差だけ大きさに関して前記主風向きから逸脱する風向きの突風を有する、
請求項1から4のいずれか1つに記載の方法。 - 前記低負荷方向は、前記主風向きを指す方向である、
請求項1から5のいずれか1つに記載の方法。 - 前記突風は、風速および風向きに関して検出される、
請求項1から6のいずれか1つに記載の方法。 - 各ロータブレード(202)は、検出された突風に応じて、羽毛状の位置よりも大きいブレード角度と小さいブレード角度の両方をとる、
請求項1から7のいずれか1つに記載の方法。 - 風力タービン(100)は、ブレード角度を調整可能なロータブレード(202)を有する空力ロータ(106)を備え、
前記空力ロータ(106)は、その方位が調整され、
運転状態に基づいて、50年に1度の暴風状況および/または1年に1度の暴風状況の場合に予想される減少したタービン負荷を確認するステップと、
前記風力タービン(100)が自己防護目的で惰性運転モードへ移行するステップと、
前記ロータ(106)は、その方位位置に関し、風に対して、前記風力タービン(100)が、主風向きからの風によって可能な限り小さい負荷を受ける低負荷方向に向けられるステップと、
各ロータブレード(106)は、それぞれの場合において、前記ロータ(106)の領域で作用する突風によって可能な限り小さい負荷を受けるように、そのブレード角度が調整されるステップと、
を備え、
前記風力タービン(100)は、この方法で確認された予想される減少したタービン負荷のために設計されている、
風力タービン(100)の設計方法。 - 予想される減少したタービン負荷の確認は、負荷シミュレーションによって実施される、
請求項9に記載の方法。 - ブレード角度を調整可能なロータブレード(202)を有する空力ロータ(106)を備え、
前記空力ロータ(106)は、その方位を調整可能であって、
以下のステップを含む方法を実行するために、前記風力タービン(100)は、セットアップされ、特に、プログラムされたプロセスコンピュータ(334)を有しており、
卓越風が強すぎて前記風力タービン(100)が自己防護目的で惰性モードに移行する嵐の状況を検出するステップと、
方位角位置に関して、風に対して前記ロータ(106)を低負荷方向に向け、その方向では前記風力タービン(100)が主風向きから風によってできる限り少ない負荷を受けるステップと、
前記ロータ(106)の領域に作用する少なくとも1つの突風を検出するステップと、
少なくとも1つの前記ロータブレード(202)が、検出された突風によって可能な限り小さい負荷を受けるように、そのブレード角度に関して少なくとも1つの前記ロータブレード(202)を調整するステップと、
を備えている風力タービン(100)。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載の方法を実行するように設定された、
請求項11に記載の風力タービン(100)。 - 少なくとも1つの負荷センサ(208)が前記ロータブレード(202)、あるいはそれぞれのロータブレードのために前記ロータブレード(202)を前記ロータハブへ取り付けた領域に設けられており、
前記負荷信号(LM)によって検出される負荷を最小にするため、または少なくとも減少させるために、前記負荷信号に応じて前記ロータブレード(202)の調整を実行するために、前記負荷センサ(208)から負荷信号を前記ロータブレード(106)の制御装置(334)にフィードバックするために信号送信装置が設けられている、
請求項11または12に記載の風力タービン(100)。 - 前記ロータブレード(106)を調整するブレード調整装置(224)が各ロータブレード(202)ごとに設けられており、
前記ロータブレード(202)のブレード角度の調整を実施するために、各ロータブレード(106)ごとに専用の制御装置(334)が設けられており、
前記制御装置(334)は、前記負荷信号(LM)によって検出される負荷(LM)を最小にするために、または少なくとも減少させるために、前記負荷センサ(208)から負荷信号(LM)を受信し、前記ブレード角度の調整を実施するために、前記信号に応じてブレード調整装置(224)を制御するように設計されている、
請求項11から13のいずれか1つに記載の風力タービン(100)。
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