NO342746B1 - Fremgangsmåte for reduksjon av aksielle kraftvariasjoner i et vindkraftverk. - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte som kontinuerlig reduserer variasjonene av rotorens aksialkraft og dermed reduserer utmatningslastene på rotorblader og tårn samtidig som den resulterende effekt inn på generatoren ikke blir vesentlig påvirket eller blir holdt innenfor akseptable grenser i forhold til begrensninger på drivverk, generator og elektrisk nett. Fremgangsmåte for å bruke rotorens aksialkraft til aktivt å motvirke et flytende vindkraftsverks bevegelser. Videre beskriver fremgangsmåten hvordan rotasjonskrefter om tårnets (4) vertikalakse (12) kontrolleres og motvirkes ved syklisk variasjon av pitchvinkler og tilhørende krefter på de enkelte rotorblad. Fremgangsmåten beskriver også hvordan den aerodynamiske kraftvariasjonen på hvert enkelt blad som følge av ulike vindhastigheter i ulik høyde (vertikalt vindskjær) og i horisontal retningen parallelt med rotor planet (horisontalt vindskjær) kan reduseres.

Description

Denne oppfinnelsen vedrører fremgangsmåte for å regulere rotorbladenes vinkel om sin egen lengdeakse på et vindkraftverk på en slik måte at rotorens skyvekraft på tårnet kontrolleres og holdes innenfor ønskede størrelser uten at den gjennomsnittlige effekt av vindkraftverket påvirkes nevneverdig. Dette har den fordel at lastvariasjonene på rotorblad og tårn blir redusert slik at utmatning av disse utsatte komponentene blir vesentlig redusert.

I denne patentsøknad er følgende definisjoner benyttet:

1) Momentan vindhastighet er definert som den momentane vindhastighet som måles i øyeblikket. 2) Gjennomsnittlig eller jevnet vindhastighet er definert som gjennomsnittet eller tilnærmet gjennomsnittet av den momentane vindhastighet for en viss periode. Denne periode vil typisk være lengre enn 3 sekunder og normalt være i størrelsesorden 10 minutter till time, men den kan og være lengre. Når vindhastigheten brukes til å styre vindturbinen vil også skalering eller fraksjoner av slike målte verdier gå inn under denne definisjonen. 3) Pitch vinkel er i denne patentsøknad definert som et rotorblads stivlegemevridning omkring sin egen lengdeakse i forhold til en fast utgangsposisjon for denne vinkelen. Ved å "pitche" bladene kan kreftene på rotoren for en gitt momentan vindhastighet varieres. 4) Rotor aksialkraft er definert som den skyvekraft som blir overført fra rotor mot møllehus og som er rettet hovedsakelig langs rotoraksen's omdreiningsakse. Denne kraft utgjøres av den samlede skyvekraften i vindretningen fra rotorbladene og kan både være positiv og negativ i forskjellige tidspunkt under vindkraftsverkets drift. 5) Nominell vindhastighet er definert som den vindhastighet hvor vindkraftanlegget først oppnår full effekt. Dette kan typisk være i området 12-14m/s. 6) Omformingsenhet er den enheten som genererer eller overfører energi fra vinden/rotasjonen av rotorbladene til elektrisk effekt eller annen mekanisk effekt. Denne enheten kan typisk være en generator, en mekanisk pumpe, en utvekslingsenhet el. I den følgende beskrivelse benyttes stort sett begrepet generator, men det er klart at generator kan erstattes av en hver type egnet omformingsenhet som nevnt her.

Det er ønskelig å kunne plassere kommersielle store horisontalakslede vindturbiner på fundamenter på dypt vann. Dette er ønskelig for å kunne øke potensielle arealer for vindkraftutnyttelse, få tilkomst til områder med høye gjennomsnittlige vindhastigheter og for å kunne bygge vindparker i nærheten av olje og gassinstallasjoner for å kunne elektrifisere disse vha vindkraft.

På dypt vann vil en flytende konstruksjon være fordelaktig for å begrense størrelse og kostnader på tårn og fundamenter.

En slik flytende konstruksjon vil primært bli påvirket av to typer krefter som vil styre bevegelsesmønsteret og påkjenninger til den flytende konstruksjonen. Dette er bølgekrefter mot den flytende del av konstruksjonen og skyvekraft på rotoren fra vinden, her kalt rotorens aksialkraft.

For et vindkraftverk på land eller på grunt vann som er fast innspent mot bakken eller sjøbunn vil de dominerende krefter som virker på konstruksjonen vanligvis være skyvekraft på rotoren fra vinden i tillegg til gravitasjonskrefter.

For store vindkraftanlegg (med effekter på typisk 1 MW eller høyere) er det i dag to hovedtyper av reguleringsmekanismer som benyttes for å kontrollere at rotoren gir en konstant effekt, lik anleggets nominelle effekt, for vindhastigheter som er høyere enn det som er nødvendig for å oppnå full effekt (nominell effekt).

Den ene metoden er stall regulering av rotorbladene. Denne metoden dreier bladene inn i vinden slik at den relative vindens angrepsvinkel mot vingeprofilet økes og rotorbladene oppnår stall. Dvs. vingen mister gradvis sin løftekraft ved at strømningene over rotorbladet går fra å være laminær til å bli turbulent. Dermed frigjøres den overskytende energi.

Den annen reguleringsmetode er pitchregulering av bladene ved at bladene dreies motsatt vei i forhold til stall regulering slik at vinden slippes ut ved å minske den relative vindens angrepsvinkel mot vingeprofilet. Dermed minskes rotorbladets løftekraft og mindre energi blir tatt ut av vinden. Denne oppfinnelsen vedrører denne siste reguleringsmetoden som her er kalt pitchregulering.

For store rotordiametere kan en risikere at vindhastigheten kan ha store variasjoner over rotorarealet både vertikalt og horisontalt. Dette kan forårsake større utmatningsproblemer av bladene enn for mindre anlegg hvis ikke bladenes individuelle skyvekraft i vindretningen kontrolleres og reguleres hensiktsmessig. Det kan og føre til store momenter som prøver å dreie rotoren ut av vinden hvis vindhastigheten i et gitt tidspunkt er vesentlig større på rotorens ene halvdel (om den vertikale akse) enn den motsatte.

Ved kjent teknologi med pitchregulering som beskrevet over vil rotorens turtall for vindhastigheter over den nominelle vindhastighet reguleres slik at rotorens effekt som er lik rotorens dreiemoment multiplisert med vinkelhastigheten (omdreiningshastigheten i radianer) holdes mest mulig konstant lik den nominelle effekt av vindkraftanlegget. For å klare dette styrer en kontrollenhet rotorbladenes pitch vinkel kontinuerlig. Effekt og rotor aksial kraft er ikke linære størrelser som funksjon av variasjon av vindhastigheten. Når vindhastigheten endres og effekten fra rotoren holdes konstant ved å pitche rotorbladene så vil rotor aksialkraft samtidig endres. Rotorens aksialkraft (skyvekraft i vindretningen) kan på denne måten få store variasjoner. Disse kraftvariasjonene forårsaker store utmatningslaster på blad og tårnstruktur hvilket i mange tilfeller kan bli dimensjonerende for disse konstruksjonselementene.

For å illustrere dette kan en se på virkningen av pitchreguleringen med kjent teknikk: Hvis momentanvindhastigheten økes fra den nominelle vindhastighet (f.eks 13 m/s) til det dobbelte (26 m/s) samtidig med at effekten og rotorens rotasjonshastighet holdes konstant vil bladets pitchendring bli ca 20 grader for å hindre at rotorens effekt øker ved den høyere vindhastighet. Resultatet av denne pitchendringen av bladene er at rotorens aksialkraft (skyvekraft i vindretningen) samtidig omtrentlig halveres, hvilket forårsaker en utmatningsbelastning på blad og tårnstruktur.

For et værtilfelle med f.eks en 10 minutters middelvindhastighet på 19 m/s vil slike svingninger i vindhastigheten typisk oppstå med dertil store variasjoner i bladenes og rotorens samlede aksialkraft hvis effekten skal holdes konstant. Lignende svingninger i aksialkraften vil oppstå for alle gjennomsnittlige vindhastigheter over den nominelle vindhastighet i større eller mindre grad hvis man benytter seg av pitchregulering etter kjent teknikk.

Det vil alltid være en viss forsinkelse mellom det aerodynamiske momentane dreiemoment på rotor og generatorens dreiemoment. Dette skyldes hovedsakelig treghetskrefter av rotor, drivverk og generator. Siden pitchregulering etter kjent teknikk benytter seg av målte verdier av rotasjonshastigheter eller generatoreffekt vil pitchreguleringen være unøyaktig og forsinket i forhold til momentankreftene som virker på rotoren, deriblant rotorens momentane aksialkraft. Dette fører til at for brå reduksjoner i den momentane vindhastigheten vil rotorbladene ha en for stor bladpitchvinkel og rotorens aksialkraft kan bli drastisk redusert eller til og med negativ. For eksempelet over ville for en plutselig reduksjon av vindhastigheten fra 26 m/s til 13 m/s og hvis pitchreguleringen ikke ble endret raskt nok kunne føre til en reduksjon av rotorens momentane aerodynamiske aksialkraft fra 50% av den nominelle aksialkraft til ved 26 m/s vind til - 30% av den nominelle aksialkraft ved 13 m/s vind, dvs. i motsatt retning av vinden. Tilsammen utgjør dette en endring på 80%) av den nominelle rotoraksialkraft. Slike store svingninger i aksialkraften pga. av den forsinkede pitchstyringen vil spesielt være et problem for de høyere gjennomsnittlige vindhastigheter.

Dette vil også føre til at rotorblader dimensjonert for en lav årlig gjennomsnittlig vindhastighet ikke vil kunne brukes for en lokasjon med høy årlig gjennomsnitts vindhastighet. Pga av de økte utmatningsbelastninger som oppstår pga av de større variasjonene i bladenes skyvekraft i vindretningen, så må rotorblader for områder med høye gjennomsnittlige vindhastigheter dimensjoneres kraftigere. Dette kan bety dyrere og tyngre blader. Det faktum at en lokasjon med høy gjennomsnittlig vindhastighet vil ha flere driftstimer vil dog også øke kravet til rotorbladenes utmattingsstyrke.

For et flytende vindkraftanlegg kan den ovenfor beskrevne effekten av at økt vindhastighet minsker rotorens aksialkraft pga pitchreguleringen (for vindhastigheter over den nominelle vindhastighet) også ha negative effekter på vindkraftsverkets bevegelsmønster. Når tårnet og rotor beveger seg mot vinden vil den relative vindhastigheten mot rotoren øke, noe som vil føre til en redusert rotor skyvekraft pga av pitchreguleringen prøver å opprettholde konstant effekt hvilket igjen vil øke tårnets bevegelse mot vinden. Motsatt vil, når tårn og rotor beveger seg tilbake i samme retning som vinden, den relative vindhastighet mot rotoren minke og bladene vil med kjent teknikk automatisk pitches (vris) for å opprettholde nominell effekt inn på generatoren. Dette fører igjen til øket rotorskyvekraft hvilket igjen vil øke tårnets bevegelse i retning med vinden. Resultatet av dette er en ekstra eksitering og forsterkning av tårnets bevegelser hvis pitchregulering med den kjente teknikk benyttes. Dette har vist seg å føre til store økninger i utmattingslastene for flytende vindkrafttårn.

I patent US-4201514 er det beskrevet metode for å regulere de enkelte rotorbladenes pitch vinkel i forhold til variasjoner i vindhastigheten. Reguleringen beskriver hvordan de individuelle blads dreiemoment om rotoraksen automatisk holdes konstant ved skiftende vindhastigheter. Dette har samme virkning som for øvrig kjent teknikk som beskrevet over. Det vil si at kreftene som virker i retning av bladets rotasjonsretning, dvs. vinkelrett på vindretningen, og som får bladet til å rotere holdes konstant. Dette har som bi-effekt at bladets skyvekraft i vindretningen varierer tilsvarende som beskrevet over for annen kjent teknikk. Dermed vil denne kjente teknikk ha samme virkning på utmatning av blad og tårn pga varierende skyvekrefter på rotorbladene når rotorens dreiemoment forsøkes holdes konstant.

DE 19628073 beskriver en metode for å justere vinklene til rotorblader i en vindmølle for å redusere aerodynamisk ubalanse. Bidraget til utgangseffekt for hvert blad overvåkes for å minimalisere ubalansen ved å endre bladvinkelen.

US 6619918 beskriver et vindkraftverk som har sensorer på bladene for å justere pitchvinklene for å opprettholde en sikkerhetsavstand mellom tuppen av bladene og vindmøllen.

Oppfinnelsen har som mål å avhjelpe ulempene ved kjent teknikk.

I den fremgangsmåten i henhold til kravene er ulemper med kjent teknikk forbedret eller eliminert.

I en utførelse av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for å kontrollere effekt for et vindkraftanlegg omfattende en omformingsenhet, idet når omformingsenhetens, utgangseffekt ligger innenfor et gitt intervall endres rotorbladenes pitch vinkel med hensyn til å minimalisere variasjoner i rotorbladenes skyvekraft i vindretningen individuelt eller samlet, og når omformingsenhetens utgangseffekt ligger utenfor dette intervallet, endres rotorbladenes pitch vinkel med hensyn til å bringe utgangseffekten innenfor intervallet.

I en annen utførelse av oppfinnelsen gjøres minimalisering av variasjoner i rotorbladenes skyvekraft i vindretningen ved å regulere mot en beregnet målverdi for rotorbladenes skyvekraft i vindretningen, idet målverdien for skyvekraften i vindretningen er forskjellig for ulike gjennomsnittlige vindhastigheter.

I enda en utførelse av oppfinnelsen justeres målverdien for rotorbladenes skyvekraft i vindretningen i forhold til gjennomsnittlig omformingsenheteffekt eller rotorhastighet over et gitt tidsrom.

I ytterligere en utførelse av oppfinnelsen er målverdien for rotorbladenes skyvekraft i vindretningen forhåndsdefinert og knyttet til gitte gjennomsnittlige vindhastigheter.

I en utførelse av oppfinnelsen justeres rotorbladenes skyvekraft i vindretningen i tillegg ved å endre rotorens turtall ved å justere generatorens dreiemotstandsmoment og/eller rotorbremser.

I enda en utførelse kan rotorbladenes momentane skyvekraft i vindretningen bestemmes direkte eller indirekte ved hjelp av strekklapper, vindhastighetsmålinger, ved å måle geometrisk utbøyning av bladene, måling av generatorens dreiemoment og/eller måling av generatorens effekt sammen med samtidig måling av blad(ene)s pitchvinkler, og/eller ved å måle eller bruke bladenes pitchmoment omkring pitchlagerets dreieakse ved enten å montere bladene bakoverlent i pitchlageret eller forme bladene slik at vindens trykktyngdepunkt på bladet ligger bak pitchlagerets dreieakse i forhold til rotorens dreieretning.

I en utførelse endres rotorbladenes pitchvinkel i tillegg med hensyn til å minimalisere retningsfeil for vindkraftverket.

I en utførelse korrigeres retningsfeilen hvis den ligger utenfor et gitt intervall.

I en ytterligere utførelse av oppfinnelsen justeres rotorbladenes pitchvinkel ulikt for ulike rotasjonsposisjoner.

I en utførelse justeres rotorbladenes pitchvinkel individuelt og/eller uavhengig av hverandre.

I en utførelse predikeres vindfeltet i et plan som står hovedsaklig vinkelrett på vindretningen ved å benytte direkte eller indirekte målte verdier av vindkreftene som virker på det eller de rotorblad som er foran i forhold til rotorens rotasjonsretning.

I en utførelse blir rotorbladenes skyvekraft i vindretningen brukt aktivt for å motvirke bevegelser av vindkraftsverkets tårn ved å regulere pitch vinklene på rotorbladene.

I en utførelse av oppfinnelsen er en eller flere vindmålere er plassert på gunstige lokasjon(er) på vindkraftverket slik at den romlige fordelingen av vindhastigheten kan registreres og interpolasjoner mellom de forskjellige vindmålerne kan gjøres for å danne et bilde av vindens fordeling over rotorens omsveipningsareal. Dette kan gjøres ved å plassere vindmålere i vesentlig forskjellig høyde og vesentlig forskjellig horisontal posisjon. Denne romlige fordelingen av den momentane vindhastighet kan så brukes til å individuelt regulere rotorbladenes pitch, eventuelt kan alle bladene pitchreguleres samlet.

Vindfeltet i et plan som står hovedsaklig vinkelrett på vindretningen kan predikeres ved å benytte direkte eller indirekte målte verdier av vindkreftene som virker på det eller de rotorblad som er foran i forhold til rotorens rotasjonsretning.

Rotoren kan fordelaktig plasseres nedvinds i forhold til tårnet slik at vindmålerne registrerer vindens hastighet før den treffer rotoren. I tillegg kan direkte eller indirekte målte verdier av skyvekraften på det bladet som er foran, i forhold til rotorens rotasjonsretning, av et gitt blad brukes til å predikere vindfeltet som det gitte blad vil bevege seg inn i. På denne måten kan bladenes optimale pitch vinkel forhåndsberegnes slik at det oppstår lite eller ingen forsinkelser mellom aerodynamiske krefter og rotorbladenes pitch respons. Dermed kan brå forandringer av den momentane vindhastighet predikeres. Ved hjelp av den horisontale avstanden mellom de oppvinds monterte vindmålerne og rotorens vertikalplan og vindhastigheten kan tidsforsinkelsen beregnes fra målingene blir gjort til den aktuelle vindhastighet vil opptre i rotoren. Kontrollerenheten som styrer pitchreguleringen gis tilgang til alle disse målingene og kan til enhver tid bruke denne informasjonen til å optimalisere bladenes pitch vinkler. Slik kan spesielt de store rotor aksialkraft reduksjonene unngås som opptrer ved plutselige momentane reduksjoner i den momentane vindhastigheten fordi at pitchreguleringen for kjent teknikk ikke foregår raskt nok.

For momentanvindhastigheter over vindkraftverkets nominelle vindhastighet vil i utgangspunktet bladene vris slik at den aksielle kraft på rotoren blir redusert. Dette motvirkes ved å øke rotasjonshastigheten på rotoren vha redusert eller ingen pitch respons mens generatorens dreiemoment eventuelt samtidig blir redusert etter input fra kontroll enheten som også vil være med å øke rotorens rotasjonshastighet. Både rotorens aksialkraft og effekten på generatoren kan da holdes tilnærmet konstant ved optimal pitchvinkel innenfor en mindre vindhastighetsøkning. Ved ca 10% vindøkning må rotasjonshastigheten etter denne metode økes med ca 10%> for å oppnå uendret både rotoraksialkraft og effekt inn på generator. Pitch vinkelen må samtidig endres.

Tilsvarende metode brukes ved minking av momentanvindhastighet, men i dette tilfelle reduseres rotorens rotasjonshastighet mens generatorens dreiemoment eventuelt samtidig økes etter input fra kontrollenheten.

For større endringer av vindens momentanhastighet gjøres følgende:

Ved reduksjon av den momentane vindhastigheten i forhold til den gjennomsnittlige vindhastighet målt over en lengre periode enn oppdateringsfrekvensen til pitchreguleringen, f.eks over en 10 minutters periode, så endres bladenes pitchvinkel mindre enn ved ren effektstyrt pitchregulering. Dette har som resultat at rotorens aksialkraft forblir uendret men at effekten inn på generator blir noe mindre enn den nominelle effekt. 10%) reduksjon av vindhastighet gir ca 10%> reduksjon av effekten mens rotorens aksialkraft forblir uendret.

Tilsvarende vil en for en økning på 10%> av vindhastigheten endre pitchvinkelen på bladene mindre enn ved ren effektstyrt pitchregulering. Dette har som resultat at rotorens aksialkraft forblir uendret men at effekten inn på generator blir noe større enn den nominelle effekt. 10% økning av den momentane vindhastighet gir ca 10% økning av effekten mens rotorens aksialkraft forblir uendret. Ved å kombinere de to effektene som beskrevet over vil de samlet resultere i at den momentane vindhastigheten kan variere med typisk +/- 20% uten at rotorens aksialkraft varierer. Siden de tilhørende generatoreffektvariasjonene vil være kortvarige og fluktuere rundt merkeeffekten på generatoren så vil den gjennomsnittlige generator effekten være tilnærmet uendret, dvs. lik den nominelle effekt (merkeeffekt), samtidig som aksialkraften for en gitt gjennomsnittlig vindhastighet kan holdes konstant eller tilnærmet konstant innenfor typisk +/- 20% variasjon av den momentane vindhastighet.

For en gitt gjennomsnittlig vindhastighet kan rotorens aksialkraft (mål-verdi) beregnes som korresponderer med den nominelle effekt på generatoren. Akseptable maksimum og minimumsverdier for generatorens effektvariasjoner rundt en middelverdi kan forhåndsprogrammeres og pitchkontrollerenheten vil så beregne optimale momentane pitchvinkler slik at rotorens aksialkraft holdes mest mulig konstant rundt den nevnte beregnede mål-verdi samtidig som generator effekten holdes innenfor den forhåndsprogrammerte båndbredde.

Den beregnede mål-verdi for rotorens aksialkraft vil derfor variere med forskjellige gjennomsnitts vindhastigheter. Innenfor hver gjennomsnittlige vindhastighet vil da aksialkraften vha pitchreguleringen bli forsøkt å holdes tilnærmet konstant. Den gjennomsnittlige vindhastighet kan f.eks være siste 10 minutters middel. Det kan eventuelt benyttes forhåndsberegnede verdier for aksialkraftens mål-verdier for gitte gjennomsnittlige vindhastighetsintervall, f.eks delt inn i intervaller med 0,1 m/s forskjeller.

For momentanvindhastighetsvariasjoner utover ca +/- 20% så kan pitchreguleringen foretas med prioritet på ikke å variere generator effekten utover de typisk ca +/-10%) som beskrevet over. Ved slike større variasjoner av momentanvindhastigheten vil rotorens aksialkraft begynne å variere, men denne variasjonen vil også i disse tilfellene være vesentlig mindre enn for pitchregulering etter kjent teknikk.

Siden en gjennomsnittsverdi av vindhastigheten over et lengre tidsrom, f.eks. 10 minutters middel, varierer mye mindre enn momentan vindhastighetsvariasjonene vil den beskrevne metode sørge for at rotor aksialkraftvariasj onene blir vesentlig redusert med sin positive effekt på utmatningslastene på tårn og rotor.

Den samme metode som beskrevet over kan også brukes til aktivt å regulere rotorens aksialkraft i forhold til en gitt middelverdi. Hvis rotorens aksialkraft på denne måten aktivt styres med varierende verdi så kan dette brukes til f.eks. å påføre tårnet krefter i motfase med dets bevegelser slik at tårnets bevegelser blir dempet.

Tårnets bevegelser kan f.eks. registreres med et akselerometer.

Videre kan en på tilsvarende måte bruke aksialkraften aktivt til å motvirke eventuelle krefter som prøver å dreie rotoren ut av vinden. Dette kan gjøres ved at rotorbladenes individuelle kraft i vindretningen blir styrt slik at eventuelle dreiemomenter som prøver å vri rotor og/eller nacell og/eller tårn ut av vinden blir motvirket, redusert eller eliminert ved å syklisk endre bladenes individuelle pitch vinkel avhengig av fysisk posisjon av hvert enkelt blad til enhver tid slik at den aksielle kraften på rotoren blir større på den ene eller andre siden av rotorens vertikale akse etter behov. Når et gitt rotorblad passerer den ene siden av tårnets vertikale akse økes f.eks. pitch vinkelen med 0,5 grader og når det samme bladet passere motsatt side så minskes pitchvinkelen tilsvarende. Dette trenger derfor ikke å få innvirkning på rotorens samlede effekt eller rotorens samlede aksialkraft. Denne ekstra sykliske pitchvariasjonen overlagres bare på den beregnede pitchvinkel i henhold til den ovenfor beskrevne fremgangsmåte for å kontrollere rotorens samlede aksialkraft. Denne beskrevne sykliske pitchreguleringen kan og brukes for aktivt å styre rotoren slik at deler av, eller eventuelt hele vindkraftverket i tilfelle et flytende anlegg, kan holdes i ønsket posisjon i forhold til vindretningen. Dermed kan man eliminere eller redusere størrelse eller antall av motorene som etter kjent teknikk dreier møllehuset, eller eventuelt hele tårnet i det tilfelle møllehuset er dreiefast montert på tårnet for et flytende anlegg, i ønsket posisjon i forhold til vinden.

Videre kan skyvekraftvariasj onene i vindretningen på hvert enkelt blad reduseres ved å endre pitchvinkel i henhold til den ovenfor beskrevne fremgangsmåte for å kontrollere bladets momentane skyvekraft i vindretningen.

Bladet kan da styres individuelt i forhold til posisjon i sin omløpsbane og målte verdier av vindhastighetene i forskjellige posisjoner i eller rundt rotorens omsveipningsareal.

Den målte aksialkraft vil bli registrert og tatt med i pitch kontrollerenheten for beregning av optimal pitch vinkel til enhver tid i henhold til den beskrevne fremgangsmåte.

Istedenfor å bare benytte målt vindhastighet og pitch vinkel for å beregne rotorens aksial kraft kan en eller flere andre direkte eller indirekte metoder benyttes.

Ved at bladene monteres bakoverlent i pitchlageret, dvs. bladenes lengdeakse avviker noe fra pitchlagerets akslingsakse slik at bladenes lengdeakse ikke krysser rotorens rotasjonsakse og pitchmomentet som da oppstår kan måles via hydraulisk trykk via bladenes pitch control system og aksialkraften kan så beregnes eller;

Ved å benytte strekklapper på bladene og/eller på rotorens hovedaksling og/eller på andre deler av vindkraftverket eller;

Indirekte ved å måle blad(enes) pitch vinkler og rotorens dreiemoment direkte eller ved å registrere andre parametre som generatorens dreiemoment, effekt etc og deretter kan rotorens korresponderende aksialkraft beregnes.

Ved å måle utbøyning av bladene ved hjelp av mekanisk eller elektronisk målesystem.

Eksempel på foretrukket fremgangsmåte.

1 det etterfølgende beskrives et ikke-begrensende eksempel på en foretrukket fremgangsmåte som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et flytende vindkraftverk 1 med rotor 2 som har horisontal eller i hovedsak horisontal montert rotorakse 11 nedvinds montert i forhold til tårn 4, videre vises møllehus 3, vindmålere 5, ankerforbindelse 6 og anker 7. Fig. 2 viser et vindkraftverk 1 som er plassert på land eller på grunt vann med rotor 2 som har horisontal eller i hovedsak horisontal montert rotorakse 11 oppvinds montert i forhold til tårn 4, videre vises møllehus 3 og vindmålere 5, Fig. 3 viser et vindkraftverk 1 som er plassert enten på land eller på grunt vann eller flytende i vann med rotorblader 13 som er dreibart montert om sin lengdeakse eller hovedsaklig om sin lengdeakse 14 med pitch lagre 10. Fig. 4 viser et flytdiagram som illustrerer fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Fig. 5 viser et flytdiagram for en valgfri del av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Et vindkraftverk 1 med horisontal eller vesentlig horisontal rotorakse 11 består av ett eller flere rotorblad 1) som tilsammen danner en rotor 2 hvor rotorbladene ko-ordinert eller individuelt kan dreies (pitches) rundt sin egen lengde akse eller vesentlig rundt sin egen lengdeakse 14 for hovedsakelig å styre rotorens 2 effekt inn på generatoren (ikke vist) og hvor rotorens aksling er holdt fast i et møllehus 3 og rotorens aksling er forbundet med en generatoren eventuelt via et utvekslingssystem (gear). Rotorbladenes pitch regulering foretas av en pitch kontroll enhet som på bakgrunn av forskjellig registrert driftsinformasjon, vindmålinger etc. sender signal til pitchmotorene om hvor mye bladenes pitchvinkler til en hver tid skal endres.

Møllehuset kan være montert på et tårn 4 som er fast montert på land 9 eller på sjøbunn 8 eller som er en del av en flytende innretning eller som selv utgjør en flytende innretning med eventuelt en eller flere ankerforbindelse(r) 6 til forankring 7 på sjøbunn 8. Utforming av ankersystemet 6,7 er ikke vesentlig for den beskrevne fremgangsmåte.

Den nedenfor beskrevne fremgangsmåte har som mål å redusere variasjonene av rotorens aksialkraft i forhold til kjent teknikk samtidig som den resulterende effekt inn på generatoren ikke blir vesentlig påvirket eller blir holdt innenfor akseptable grenser i forhold til begrensninger på drivverk, generator og elektrisk nett. Fremgangsmåten har også som mål å bruke rotorens aksialkraft til aktivt å motvirke et flytende vindkraftsverks bevegelser. Videre har den beskrevne fremgangsmåte som mål å kontrollere og motvirke rotasjonskrefter om tårnets vertikalakse 12 og å redusere den aerodynamiske kraftvariasjonen på hvert enkelt blad gjennom en hel rotasjonssyklus som følge av ulike vindhastigheter i ulik høyde (vertikalt vindskjær) og i horisontal retningen parallelt med rotor planet (horisontalt vindskjær).

En eller flere vindmåler(e) 5 er plassert på gunstige lokasjon(er) på vindkraftverket 1 slik at den romlige fordelingen av vindhastigheten fordelaktig kan registreres og interpolasjoner mellom de forskjellige vindmålerne kan gjøres for å danne et bilde av vindens fordeling over rotorens omsveipningsareal. Dette kan gjøres ved å plassere vindmålere i vesentlig forskjellig høyde og vesentlig forskjellig horisontal posisjon. Denne romlige fordelingen av den momentane vindhastighet kan så brukes til å individuelt regulere rotorbladenes pitch, eventuelt kan alle bladene pitchreguleres samlet.

Rotoren 2 kan fordelaktig plasseres nedvinds i forhold til tårnet 4 slik at vindmålerne registrerer vindens hastighet før den treffer rotoren. På denne måten kan bladenes optimale pitch vinkel forhåndsberegnes slik at det oppstår lite eller ingen forsinkelser mellom aerodynamiske krefter og rotorbladenes pitch respons. Dermed kan brå forandringer av den momentane vindhastighet predikeres. Ved hjelp av den horisontale avstanden mellom de oppvinds monterte vindmålerne og rotorens vertikalplan og vindhastigheten kan tidsforsinkelsen beregnes fra målingene blir gjort til effekten av den aktuelle målte vindhastighet vil opptre i rotoren. Kontrollerenheten (ikke vist) som styrer pitchreguleringen gis tilgang til alle disse målingene og kan til enhver tid bruke denne informasjonen til å optimalisere bladenes 13 pitch vinkler. Slik kan spesielt de store rotor aksialkraft reduksjonene unngås som opptrer ved plutselige momentane reduksjoner i den momentane vindhastigheten fordi at pitchreguleringen for kjent teknikk har en tidsforsinkelse.

I de tilfeller der gjennomsnittshastigheten ligger over den nominelle vindhastighet for vindkraftverket 1 og momentanvindhastigheten så øker utover den gitte gjennomsnittsvindhastigheten vil rotasjonshastigheten på rotoren 2 etter denne fremgangsmåte økes vha redusert pitch respons i forhold til kjent teknikk mens generatorens dreiemoment eventuelt samtidig blir redusert etter input fra kontroll enheten, noe som også vil være med å øke rotorens 2 rotasjonshastighet. Siden rotor aksialkraft generelt økes med øket turtall for en gitt rotoreffekt kan den reduserte rotoraksial kraft som resultat av bladenes pitch dreining pga av den økte momentanvindhastighet kompenseres. Resultatet blir at innenfor en mindre vindhastighetsøkning kan både rotorens aksialkraft og effekten på generatoren holdes tilnærmet konstant ved å øke rotorens rotasjonshastighet og med optimal pitchvinkel. Ved ca 10% vindøkning må rotasjonshastigheten etter denne metode økes med ca 10%> for å oppnå uendret både rotoraksialkraft og effekt inn på generator. Pitch vinkelen må samtidig endres.

Tilsvarende fremgangsmåte brukes ved minking av momentanvindhastighet, men i dette tilfelle reduseres rotorens rotasjonshastighet mens generatorens dreiemoment eventuelt samtidig økes etter input fra kontroll enheten.

For større endringer av vindens momentanhastighet gjøres følgende:

Ved reduksjon av den momentane vindhastigheten i forhold til den gjennomsnittlige vindhastighet målt over en lengre periode enn oppdateringsfrekvensen til pitchreguleringen, f.eks over en 10 minutters periode, så endres bladenes pitchvinkel mindre enn ved ren effektstyrt pitchregulering. Dette har som resultat at rotorens aksialkraft forblir uendret men at effekten inn på generator blir noe mindre enn den nominelle effekt. 10%) reduksjon av vindhastighet gir ca 10%> reduksjon av effekten mens rotorens aksialkraft forblir uendret.

Tilsvarende vil en for en økning på 10%> av momentanvindhastigheten endre pitchvinkelen på bladene mindre enn ved ren effektstyrt pitchregulering. Dette har som resultat at rotorens aksialkraft forblir uendret men at effekten inn på generator blir noe større enn den nominelle effekt. 10% økning av den momentane vindhastighet gir ca 10%> økning av effekten mens rotorens aksialkraft forblir uendret. Ved å kombinere de to effektene som beskrevet over vil de samlet resultere i at den momentane vindhastigheten kan variere med typisk +/- 20% uten at rotorens aksialkraft varierer. Siden de tilhørende generatoreffektvariasjonene vil være kortvarige og fluktuere rundt den nominelle effekten av vindkraftverket eller merkeeffekten på generatoren så vil den gjennomsnittlige generator effekten være tilnærmet uendret, dvs. lik den nominelle effekt (merkeeffekt), samtidig som aksialkraften for en gitt gjennomsnittlig vindhastighet kan holdes konstant eller tilnærmet konstant innenfor typisk +/- 20% variasjon av den momentane vindhastighet.

For en gitt gjennomsnittlig vindhastighet og rotor rotasjonshastighet kan rotorens aksialkraft (mål-verdi) som korresponderer med den nominelle effekt på generatoren beregnes. Akseptable maksimum og minimumsverdier for generatorens effektvariasjoner rundt en middelverdi kan forhåndsprogrammeres og pitchkontrollerenheten vil så beregne optimale momentane pitchvinkler (som respons på mometanvindhastigheten) slik at rotor aksialkraft holdes mest mulig konstant rundt den nevnte beregnede mål-verdi samtidig som generator effekten holdes innenfor den forhåndsprogrammerte båndbredde.

Den beregnede mål-verdi for rotor aksialkraft vil variere med forskjellige gjennomsnitts vindhastigheter. Innenfor hver gjennomsnittlige vindhastighet vil da aksialkraften vha pitchreguleringen bli forsøkt å holdes tilnærmet konstant rundt denne mål-verdi. Den gjennomsnittlige vindhastighet kan f.eks. være siste 10 minutters middel. Det kan eventuelt benyttes forhåndsberegnede verdier for aksialkraftens mål-verdier for gitte gjennomsnittlige vindhastighetsintervall, f.eks. delt inn i intervaller med 0,1 m/s forskjeller.

For momentanvindhastighetsvariasjoner utover de ca +/- 20% som beskrevet over kan pitchreguleringen foretas med prioritet på ikke å variere generator effekten utover den typiske ca +/- 10%> båndbredde som beskrevet. Ved slike større variasjoner av momentanvindhastigheten vil rotorens aksialkraft begynne å variere, men denne variasjonen vil også i disse tilfellene være vesentlig mindre enn for pitchregulering etter kjent teknikk.

Siden en gjennomsnittsverdi av vindhastigheten over et lengre tidsrom, f.eks. 10 minutters middel, varierer mye mindre over tid enn momentan vindhastighetsvariasjonene vil den beskrevne fremgangsmåte sørge for at rotor aksialkraftvariasjonene blir vesentlig redusert med sin positive effekt på utmatningslastene på tårn og rotor.

Den samme fremgangsmåte som beskrevet over kan også brukes til aktivt å regulere rotorens aksialkraft rundt en gitt middelverdi. Hvis rotorens aksialkraft på denne måten aktivt styres med varierende verdi så kan dette brukes til f.eks. å påføre tårnet 1 krefter i motfase med dets bevegelser slik at tårnets bevegelser blir dempet. Dette er særlig fordelaktig for flytende vindkraftanlegg.

Kontrollenheten vil i dette tilfelle også få tilgang til tårnets bevegelser.

Tårnets bevegelser kan registreres med et akselerometer eller annen egnet målemetode.

Videre kan en på tilsvarende måte bruke aksialkraften aktivt til å motvirke eventuelle krefter som prøver å dreie rotoren ut av vinden. Dette kan gjøres ved at rotorbladenes individuelle kraft i vindretningen blir styrt slik at eventuelle dreiemomenter som prøver å vri rotor og/eller møllehus og/eller tårn ut av vinden blir motvirket, redusert eller eliminert ved å syklisk endre bladenes individuelle pitch vinkel avhengig av fysisk posisjon av hvert enkelt blad til enhver tid slik at den aksielle kraften på rotoren blir større på den ene eller andre siden av rotorens vertikale akse etter behov. Når et gitt rotorblad passerer den ene siden av tårnets vertikale akse økes f.eks pitch vinkelen med 0,5 grader og når det samme bladet passere motsatt side så minskes pitchvinkelen tilsvarende. Dette trenger derfor ikke å få innvirkning på rotorens samlede effekt eller rotorens samlede aksialkraft.

Denne ekstra sykliske pitchvariasjonen overlagres på den beregnede pitchvinkel i henhold til den ovenfor beskrevne fremgangsmåte for å kontrollere rotorens

samlede aksialkraft. Denne beskrevne sykliske pitchreguleringen kan og brukes for aktivt å styre rotoren 2 slik at deler av, eller eventuelt hele vindkraftverket i tilfelle et flytende anlegg, kan holdes i ønsket posisjon i forhold til vindretningen. Dermed kan man eliminere eller redusere størrelse eller antall av motorene som etter kjent teknikk dreier møllehuset 3, eller eventuelt hele tårnet 5 i det tilfelle møllehuset er dreiefast montert på tårnet for et flytende anlegg, i ønsket posisjon i forhold til vinden.

Videre reduseres skyvekraftvariasjonene i flapretningen (normalt tilnærmet lik vindretningen) på hvert enkelt blad (som tilsammen utgjør rotorens aksialkraft) ved å endre pitchvinkel i henhold til den ovenfor beskrevne fremgangsmåte for å kontrollere bladets momentane skyvekraft i vindretningen.

Bladet kan da styres individuelt i forhold til posisjon i sin omløpsbane og direkte eller indirekte målte verdier av vindhastighetene i forskjellige posisjoner i eller rundt rotorens omsveipningsareal.

Den målte eller beregnede aksialkraft vil bli registrert og tatt med i pitch kontrollerenheten for beregning av optimal pitch vinkel til enhver tid i henhold til den beskrevne fremgangsmåte.

Istedenfor å bare benytte målt vindhastighet og bladenes pitch vinkel for å beregne rotorens aksial kraft kan en eller flere andre direkte eller indirekte metoder også benyttes.

Ved at bladene 13 monteres bakoverlent i pitchlageret 10, dvs bladenes lengdeakse 14 avviker noe fra pitchlagerets akslingsakse slik at bladenes lengdeakse 14 ikke krysser rotorens rotasjonsakse 11 og pitchmomentet som da oppstår kan måles via hydraulisk trykk via bladenes pitch control system og rotorblad skyvekraft i vindretningene for hvert enkelt blad kan så beregnes eller;

Ved å benytte strekklapper på bladene 13 og/eller på rotorens hovedaksling og/eller på andre deler av vindkraftverket eller;

Indirekte ved å måle blad(enes) 13 pitch vinkler og rotorens 2 dreiemoment direkte eller ved å registrere andre parametre som generatorens dreiemoment, effekt etc og deretter kan rotorens korresponderende aksialkraft beregnes.

Ved å måle utbøyning av bladene ved hjelp av mekanisk eller elektronisk målesystem.

I fig. 4 er en utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen illustrert ved hjelp av et flytdiagram. Fremgangsmåten tar utgangspunkt i bestemmelsen i 40 av om instantan/øyeblikks- rotorhastighet, eller eventuelt utgangseffekt på generatoren, ligger innenfor et intervall av nominell verdi for vindkraftverket, i eksempelet ved å bestemme om rotorhastighet eller eventuelt utgangseffekten på generatoren ligger innenfor ±10% av nominell verdi.

Hvis instantan/øyeblikks rotorhastighet, eventuelt utgangseffekt på generatoren, ligger innenfor intervallet, skal det søkes å minimalisere rotorens aksialkraftvariasjoner, eventuelt hvert blads skyvekraft i vindretningen individuelt, ved å regulere mot en målverdi for aksialkraften. I 44 bestemmes så om gjennomsnitts rotorhastighet eller gjennomsnitts generatorutgangseffekt for en gitt tid t, f.eks de siste 10 minutter, ligger over eller under nominell effekt for vindkraftverket. I henhold til dette justeres målverdien for rotorens aksialkraft i 45, 46. Som tidligere beskrevet kan ny målverdi for aksialkraften beregnes på grunnlag av middelverdien av aksialkraften over et gitt tidsom t, for eksempel på 10 minutter med en gitt inkremental økning eller reduksjon av målverdien for aksialkraften avhengig av om en ønsker å øke eller minske gjennomsnittlig effekt på generatoren. Målverdien for rotorens aksialkraft kan også eventuelt være en forhåndsberegnet størrelse knyttet til den gjennomsnittlige vindhastigheten. Den instantane verdien for rotorens aksialkraft sammenlignes så i 47 med målverdien for aksialkraften som oppnådd i 45/46 og rotorbladenes pitchvinkel endres så i 48 og 49 i henhold til denne sammenligningen.

Hvis derimot instantan/øyeblikks rotorhastighet, eller eventuelt utgangseffekt på generatoren som beregnet i 40 ligger utenfor det gitte intervallet, søkes det å komme innenfor dette intervallet ved å justere pitchvinkelen tilsvarende som ved kjent teknikk for å bringe rotorhastighet, eller eventuelt gjennomsnittlige utgangseffekt på generatoren innenfor ønsket intervall, f.eks. innenfor +/- 10% av det nominelle. Pitchvinkelen justeres i 42/43 i henhold til beregning i 41 av om instantan/øyeblikks rotorhastighet, eller eventuelt utgangseffekt på generatoren ligger over eller under det ønskede intervallet. På denne måten justeres pitchvinkelen primært med hensyn til å opprettholde en konstant rotor aksial kraft regulert mot en sakte-varierende målverdi og til forskjell fra kjent teknikk vil pitch vinkelen kun i den grad der er nødvendig bli justert for å bringe generatorutgangseffekt eller rotorhastighet innenfor det ønskede intervallet. Man vil dermed få en mindre justering og mindre rotor aksialkraftvariasjoner enn ved kjent teknikk hvor man regulerer mot en konstant verdi for generatoreffekten med dertil store rotor aksialkraftvariasjoner.

I eksempelet i figur 4 kan rotorbladenes pitchvinkel justeres enten for alle rotorbladene samlet, eller for hvert individuelle rotorblad. For systemer hvor det er mulig å justere hvert individuelle rotorblad, kan det i tillegg til momentene nevnt over tas hensyn til retningsinformasjon for vindkraftverket med tanke på å holde vindkraftverket i en stabil posisjon. Denne informasjonen 50 tas hensyn til i trinn 47 i figuren. Figur 5 illustrerer i mer detalj trinnene for å tilveiebringe denne retningsinformasjonen.

I trinn 51, beregnes eller registreres sinus(a), hvor a er bladets rotasjonsposisjon, dvs. beskriver hvor i rotasjonen det enkelte rotorblad befinner seg. I trinn 52 avgjøres om retningsfeilen av vindkraftverkets retning i forhold til vindretningen ligger utenfor et gitt intervall, her +5°. Hvis retningsfeilen ligger innenfor intervallet, foretas ingen handling, men hvis retningsfeilen ligger utenfor intervallet, utløses evt. en rotasjonsmekanisme for tårnet og et signal beregnes i 55, 56 avhengig av hvilken side av intervallet retningsfeilen ligger. Informasjonen tilveiebrakt i 55 eller 56, overlagres på kontrollsignalene tilveiebrakt for å justere pitchvinkelen med hensyn til rotorens aksialkraftvariasjoner, eventuelt hvert individuelle blads skyvekraft i vindretningen. Retningsfeilinformasjonen omfatter informasjon om rotasjonsposisjon, dvs. pitchvinkelen justeres individuelt for hvert blad i henhold til den momentane rotasjonsposisjonen. Dette medfører at hvert enkelt blads skyvekraft i vindretningen justeres ulikt for de ulike rotasjonsposisjonene slik at man får en kraftvirkning som motvirker retningsfeilen for vindkraftverket.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for å kontrollere effekt for et vindkraftanlegg (1) omfattende en omformingsenhet, karakterisert vedat når omformingsenhetens utgangseffekt ligger innenfor et gitt intervall endres rotorbladenes (13) pitchvinkel med hensyn til å minimalisere variasjoner i rotorbladenes (13) skyvekraft i vindretningen individuelt eller samlet, og når omformingsenhetens utgangseffekt ligger utenfor dette intervallet, endres rotorbladenes (13) pitchvinkel med hensyn til å bringe utgangseffekten innenfor intervallet.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat minimalisering av variasjoner i rotorbladenes (13) skyvekraft i vindretningen gjøres ved å regulere mot en beregnet målverdi for rotorbladenes (13) skyvekraft i vindretningen, idet målverdien for skyvekraften i vindretningen er forskjellig for ulike gjennomsnittlige vindhastigheter.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 2, karakterisert vedat målverdien for rotorbladenes (13) skyvekraft i vindretningen justeres i forhold til gjennomsnittlig omformingsenheteffekt eller rotorhastighet over et gitt tidsrom.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 2, karakterisert vedat målverdien for rotorbladenes (13) skyvekraft i vindretningen er forhåndsdefinert knyttet til gitte gjennomsnittlige vindhastigheter.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat rotorbladenes (13) skyvekraft i vindretningen i tillegg justeres ved å endre rotorens (2) turtall ved å justere generatorens dreiemotstandsmoment og/eller rotorbremser.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat rotorbladenes (13) momentane skyvekraft i vindretningen kan bestemmes direkte eller indirekte ved hjelp av strekklapper, vindhastighetsmålinger, ved å måle geometrisk utbøyning av bladene, måling av generatorens dreiemoment og/eller måling av generatorens effekt sammen med samtidig måling av blad(ene)s pitchvinkler, og/eller ved å måle eller bruke bladenes pitchmoment omkring pitchlagerets (10) dreieakse ved enten å montere bladene (13) bakoverlent i pitchlageret (10) eller forme bladene (13) slik at vindens trykktyngdepunkt på bladet ligger bak pitchlagerets (10) dreieakse i forhold til rotorens (2) dreieretning.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat rotorbladenes (13) pitchvinkel i tillegg endres med hensyn til å minimalisere retningsfeil for vindkraftverket.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 7, karakterisert vedat retningsfeilen korrigeres hvis den ligger utenfor et gitt intervall.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat rotorbladenes (13) pitchvinkel justeres ulikt for ulike rotasjonsposisjoner.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat rotorbladenes (13) pitchvinkel justeres individuelt og/eller uavhengig av hverandre.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat vindfeltet i et plan som står hovedsaklig vinkelrett på vindretningen predikeres ved å benytte direkte eller indirekte målte verdier av vindkreftene som virker på det eller de rotorblad (13) som er foran i forhold til rotorens (2) rotasjonsretning.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert vedat rotorbladenes (13) skyvekraft i vindretningen blir brukt aktivt for å motvirke bevegelser av vindkraftsverkets tårn ved å regulere pitchvinklene på rotorbladene (13).