WO2009156306A1

WO2009156306A1 - Verfahren zur steuerung des triebstranges einer strömungskraftmaschine, insbesondere einer windenergieanlage

Info

Publication number: WO2009156306A1
Application number: PCT/EP2009/057468
Authority: WO
Inventors: Thorsten Löw
Original assignee: Kenersys Gmbh
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2009-12-30
Also published as: DE102008029839A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung des Triebstranges einer Strömungskraftmaschine, insbesondere einer Windenergieanlage, anhand von vorgebbaren Betriebsparametern vorgeschlagen, wobei an dem Triebstrang einerseits ein Leistungsaufnehmer, insbesondere ein Rotor der Windenergieanlage, und andererseits ein elektrischer Generator angekoppelt sind, wobei an einer Welle des Triebstranges in Umfangsrichtung äquidistant Markierungen angeordnet sind, die mittels wenigstens eines geeigneten Sensors erfasst werden und deren Bewegung mittels des Sensors in ein Sensorsignal umgesetzt wird, bei welchem Verfahren das Sensorsignal in einer Auswerteeinheit einer Frequenzanalyse unterzogen und für diese Frequenzanalyse der Goertzel-Algorithmus verwendet wird und wobei die Steuerung anhand der von der Auswerteeinheit erhaltenen Ergebnisse geeignete Maßnahmen zur Steuerung des Triebstranges einleitet bzw. veranlasst. Die erfindungsgemäße Verwendung des Goertzel-Algorithmus erlaubt eine zügige Auswertung der relevanten Frequenzbereiche mit geringem Rechenaufwand, so dass die dafür vorzuhaltende Kapazität von hierfür eingesetzten Steuer- bzw. Rechnereinheiten gering gehalten werden kann.

Description

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Beschreibung

[0001] Verfahren zur Steuerung des Triebstranges einer

Strömungskraftmaschine, insbesondere einer Windenergieanlage Technisches Gebiet

[0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Triebstranges einer Strömungskraftmaschine, insbesondere einer Windenergieanlage.

Stand der Technik

[0003] In Strömungskraftmaschinen allgemein, wie in Windenergieanlagen im besonderen wird eine durch die anlastende Strömung verursachte Bewegung des Leistungsaufnehmers, z.B. des Rotors der Windkraftanlage, über einen Triebstrang weitergeleitet an angeschlossene Baueinheiten, insbesondere einen elektrischen Generator.

[0004] Aus verschiedentlichen Gründen, einerseits um die

Strömungskraftmaschine insgesamt zu steuern, andererseits um den Triebstrang vor übermäßig belastenden Arbeitszuständen zu sichern, muss hier steuernd eingegriffen werden, indem beispielsweise der Triebstrang gebremst wird oder dgl. Eine Möglichkeit, einen Triebstrang bzw. Antriebsstrang einer solchen Strömungskraftmaschine zu steuern, ist in der DE 103 57 292 beschrieben. Hier ist dargestellt, dass die Steuerung des Antriebsstranges anhand verschiedener Parameter erfolgen kann, und es sind dezidierte Maßnahmen beschrieben, mit denen über entsprechende Eingriffe die angestrebte Steuerung bzw. Regelung erreichbar ist.

[0005] In dieser Druckschrift ist jedoch nicht näher spezifiziert, auf weiche Art und Weise für die Steuerung des Triebstranges wesentliche Daten erfasst werden sollen.

[0006] Wichtige Informationen hinsichtlich des Zustandes des Triebstranges ergeben sich aus Messungen der Drehzahl und weiterhin aus einer Analyse von Störungen und Erregungen, die z.B. in einer Auswertung der Rotation des Triebstranges bzw. seiner Drehzahl als charakteristische Frequenzen gesehen werden können.

[0007] Um eine sichere und zuverlässige Steuerung bzw. Regelung des

Triebstranges erzielen zu können, sind mit möglichst geringer zeitlicher PatXML 2/5

Verzögerung gewonnene Messwerte von hoher Wichtigkeit. Entsprechend müssen bei der Aufnahme beispielsweise der Drehzahl einer Welle im Triebstrang gewonnene Daten mit hoher Geschwindigkeit auf charakteristische Merkmale in ihrem Frequenzspektrum überprüft und entsprechend analysiert werden. Um jedoch ein solches Frequenzspektrum überhaupt zu erhalten, sind mathematische Transformationen der gemessenen Werte und Verläufe erforderlich, die eine Umrechnung in einen Frequenzraum beinhalten. Hier werden typischerweise die Algorithmen der Fourier-Analyse bzw. Fourier-Transformation genutzt. Bevorzugt kommt dabei nicht die diskrete Fourier-Transformation (DFT), sondern die sogenannte Fast-Fourier-Transformation (FFT) zum Einsatz, die gegenüber der diskreten Fourier-Transformation einen verringerten Rechenaufwand erfordert. Bei dieser Art der Transformation wird über einen weiten Bereich nahezu das gesamte Frequenzspektrum analysiert und generiert, und es benötigt nach wie vor einen hohen Aufwand an Rechenleistung, da eine Vielzahl von Multiplikationen und Additionen komplexer Art durchzuführen sind.

[0008] Entsprechend müssen die Rechnermodule in einer solchen Steuerung leistungsfähig ausgelegt werden, um kurze Rechenzeiten zu gewährleisten. Dies wiederum führt zu hohen Kosten und zugleich Anfälligkeiten der empfindlicheren Module, die häufig in unwirtlicher Umgebung zu platzieren sind.

Darstellung der Erfindung

[0009] Hier soll mit der Erfindung Abhilfe geschaffen werden.

[0010] Erfindungsgemäß wird also bei einem Verfahren zur Steuerung des Triebstranges einer Strömungsmaschine zur Auswertung für die Frequenzanalyse der Goertzel-Algorithmus verwendet.

[0011] In dem Triebstrang sind an einer Welle bzw. einem Wellenabschnitt in

Umfangsrichtung Markierungen angeordnet, die mittels wenigstens eines geeigneten Sensors erfasst werden und deren Bewegung mittels des Sensors in ein Sensorsignal umgesetzt wird. Dieses Sensorsignal wird einer Auswerteeinheit zugeführt, die z.B. durch den Mikroprozessor der PatXML 3/5

Steuerung an sich gebildet sein kann. In dieser Auswerteeinheit wird das Signal einer Frequenzanalyse unterzogen, die erfindungsgemäß, wie bereits oben genannt, mit dem Goertzel-Algorithmus arbeitet.

[0012] Der Goertzel-Algorithmus ist vor allem dann von Vorteil, wenn einige

(wenige) ausgesuchte Frequenzlinien bzw. Frequenzbereiche gezielt in einem Frequenzspektrum analysiert bzw. aufgefunden werden sollen, die weiteren Bereiche des Frequenzspektrums jedoch von untergeordnetem Interesse sind. Der Goertzel-Algorithmus analysiert nämlich jede einzelne Frequenzlinie bzw. ihren Frequenzbereich getrennt und benötigt pro Frequenzlinie bei N äquidistanten Abtastwerten 2 (N + 2) reelle Multiplikationen und 4 (N + 1) reelle Additionen. Dies sind deutlich weniger erforderliche Rechenschritte, als bei einer Fourier-Transformation herkömmlicher Art erforderlich, bei der die Anzahl der Rechenschritte mit einem Faktor N² skaliert.

[0013] Hier hilft die für die Erfindung wesentliche und grundlegende, letztlich überraschende Erkenntnis, dass für die Zwecke der Steuerung des Triebstranges nicht die Kenntnis des gesamten Frequenzspektrums erforderlich ist, sondern es vielmehr genügt einzelne, aufgrund der Auslegung des Triebstranges und der restlichen Strömungskraftmaschine bekannte Frequenzlinien genauer zu untersuchen, um ausreichend Informationen über den Zustand des Triebstranges zu erhalten und entsprechend steuernd eingreifen zu können.

[0014] Mögliche vorgebbare Betriebsparameter, anhand derer die Steuerung erfolgt, können aus der Gruppe: Drehzahl des Leistungsaufnehmers, Drehzahl einer der Komponenten des Triebstranges, Drehmoment und Generatorleistung oder aus zwei oder mehr kombiniert zusammengefassten dieser Parameter gewählt sein.

[0015] Die Markierungen, die mit einem geeigneten Sensor abgetastet werden, sind bevorzugt auf einer an einer Welle oder einem Wellenabschnitt des Triebstranges angeordneten Scheibe angebracht in einer äquidistanten Verteilung entlang des Umfanges der Welle. Bevorzugt bestehen diese Markierungen aus Kerben oder Durchbrüchen, wie etwa Löchern in der Scheibe oder einer Außenverzahnung. PatXML 4/5

[0016] Besonders bevorzugt, da für die Signalauswertung sehr geeignet, werden die Markierungen auf einer schnellen Welle, insbesondere einer schnellen Generatorwelle, des Triebstranges angeordnet.

[0017] Schließlich lassen sich die für die Steuerung erforderlichen Informationen bzw. die für die Frequenzanalyse zugrunde zu legenden Spektren besonders zuverlässig erhalten, wenn zum Erfassen der Markierungen zwei Sensoren verwendet werden, die um 90° phasenversetzt angeordnet sind.

[0018] Aus der vorangehenden Beschreibung ist klar geworden, dass die erhebliche Verbesserung und die wesentliche Idee der Erfindung darin besteht, nicht mehr eine Analyse des vollständigen Frequenzbereiches der ermittelten Signale vorzunehmen, sondern vielmehr ausgesuchte Frequenzbereiche und -linien zu betrachten, deren Analyse mit Hilfe des gegenüber den üblicherweise genutzten Fourier-Transformationen erheblich im Rechenaufwand minimierten Goertzel-Algorithmus erfolgt. Auf diese Weise kann ansonsten für die Spektralanalyse erforderliche Rechenkapazität eingespart werden, bzw. es kann bei gleicher Rechenkapazität eine bedeutend schnellere Analyse erfolgen. Insbesondere dann, wenn die Analyse mit einer zentralen Prozessoreinheit erfolgt, die weitere Rechen- und Steueraufgaben wahrzunehmen hat, führt eine Reduzierung des Rechenaufwandes zu einer erheblichen Entlastung und Schaffung von für andere Vorgänge benötigter Kapazität.

Claims

PatXML 5/5Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung des Triebstranges einer Strömungskraftmaschine, insbesondere einer Windenergieanlage, anhand von vorgebbaren Betriebsparametern, wobei an dem Triebstrang einerseits ein Leistungsaufnehmer, insbesondere ein Rotor der Windenergieanlage, und andererseits ein elektrischer Generator angekoppelt sind, wobei an einer Welle des Triebstranges in Umfangsrichtung äquidistant Markierungen angeordnet sind, die mittels wenigstens eines geeigneten Sensors erfasst werden und deren Bewegung mittels des Sensors in ein Sensorsignal umgesetzt wird, wobei das Sensorsignal in einer Auswerteeinheit einer Frequenzanalyse unterzogen und für diese Frequenzanalyse der Goertzel-Algorithmus verwendet wird und wobei die Steuerung anhand der von der Auswerteeinheit erhaltenen Ergebnisse geeignete Maßnahmen zur Steuerung des Triebstranges einleitet bzw. veranlasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzanalyse eingeschränkt nach diskret vorgegebenen Frequenzen erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgebbaren Betriebsparameter gewählt sind aus folgender Gruppe: Drehzahl des Leistungsaufnehmers, Drehzahl einer der Komponenten des Triebstranges, Drehmoment, Generatorleistung.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen auf einer an einer Welle oder einem Wellenabschnitt des Antriebsstranges angeordneten Scheibe entlang des Umfanges der Welle äquidistant verteilt angeordnet sind, vorzugsweise als Kerben oder Durchbrüche.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen auf einer schnellen Welle, insbesondere schnellen Generatorwelle des Triebstranges angeordnet sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erfassen der Markierungen zwei Sensoren verwendet werden, die um 90° phasenversetzt angeordnet sind.