专利名称：用于控制和调节风能设备的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制和调节风能设备的方法以及该风能设备本身。
背景技术：
由DE 195 32 409 A1已知一种用于运行风能设备的方法，由此提高风能设备的收益并且同时可以在较高的风速的情况下限制负荷。为此风能设备的功率从一个预定的切断速度起通过限制风能设备的转子的运行转速得以降低。在该已知的风能设备中，在达到界限速度时不完全切断该风能设备，而是只要流入速度超过界限速度的数值，就强制地降低风能设备的运行转速。风能设备因此在通常的“切断速度”之上继续运行，使得功率特性曲线朝较大的风速的方向延长并且改善风能设备的能量收益及其电网相容性。
由EP 1 286 049 A2已知一种具有俯仰调节的转子叶片的风力设备。对于该风能设备设置一个固定的停车位置，在此降低风能设备的负荷。风能设备在停车位置通过主动调节转子叶片状态进行稳定。如果例如转子叶片由紊流引起偏离停车位置，那么进行调节干预，该调节干预抵消这种偏离。为此拓宽转子叶片的旋转范围，使得他们关于转子的通常的旋转方向可以产生相反的转矩。
由DE 100 58 076 C2已知一种用于控制风能设备的方法，其中在切断速度以上使机器间进入预定的方位位置，同时转子叶片对于该方位位置进入起旗帜状态(Fahnenstellung)。特别是在该控制方法中放弃采用方位制动器和转子制动器，使得流入的风自动地将背风侧的转子设定到风阻力最小的位置上。在该已知的方法中避免由于方位位置的调整使得被带到旗帜状态的转子叶片关于主风方向被跟踪。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于控制风能设备的方法，该方法在高风速的情况下减小风能设备的负荷并且在电网有可能发生故障的情况下保证风能设备继续供电。
本发明的目的通过一种具有权利要求1的特征的方法解决。有利的方案在从属权利要求中描述。
按本发明的方法涉及风能设备的控制和调节，该风能设备包括一个机器间、至少一个转子叶片和一个供电装置。所述机器间在其方位角方面是可调整的。所述转子叶片可分别绕其纵轴线调整，这种调整称为俯仰调整。在本发明的方法中，对于慢转运行(Trudelbetrieb)，一个控制单元从风速和风向的测量值出发确定机器间的角位置以及所述至少一个转子叶片的一个或多个调整角，如果测量值超过一个确定的速度值的话。在风能设备的这种由于超过预定速度值而预定的工作模式中，通过控制单元计算方位调整和俯仰调整的额定角。预定的角度调整通过一个方位驱动装置和一个俯仰驱动装置进行，这两个驱动装置由供电装置馈电。控制装置确定需要调整的角度，使得所述至少一个转子叶片以预定转速范围的转速进行旋转。本发明基于的认识是，在本发明的运行模式中也应该继续进行旋转，因此在强风时设备轻微地受负荷和/或可以继续通过一个辅助发电机产生能量。按本发明的方法具有两种主要的应用情况。在其中一种情况中，供电例如通过电网或者其他方式得以保证，预定的速度值选择得较高，例如在切断速度的范围内，因此在高的风速下风能设备达到慢转运行。转子此时不停止，而是可以用低的转速继续旋转。在本发明方法的第二种应用中，电网或者接在该电网上的接头有故障，因此由发电机产生的电能不能再馈入以及风能设备中的负载不能被持久地供电。在这种情况下选择非常低的预定的速度，使得即使在正常的风条件下也可使用本发明的方法。此时风能设备以预定转速范围内的转速进行旋转并且在慢转运行中产生供电所需的能量。
在一种优选的方案中，用于所述至少一个转子叶片的控制单元根据所计算的方位角和其他参数例如转速、风向和风速的实际值来确定调整角的额定值。在测量的风向或者在对于变化的风向确定的主风向中，俯仰角至少在考虑预定的方位角的额定值和/或转速实际值的情况下进行确定。
在本发明方法的一种上述的变型中，通过电网进行供电，风能设备与该电网连接。在这种情况下，有足够的电以足量的形式供用于风能设备的负载，例如控制单元、驱动装置、测量传感器、通信装置等，因此不必要应急供电或辅助供电。当预定风速的相当大的数值被超过时，过渡到慢转运行，其中，预定的速度值v1*大约等于风能设备的切断速度。
在第二种方案中设有一个辅助发电机，它设计成在慢转运行的预定的转速范围内用于供电并且它的输入轴与一个由转子驱动的轴联接。在本发明方法的这种方案中，辅助发电机从处于慢转运行的转子的旋转中获得对于供电所必需的电功率。在此优选的是，所述预定的转速范围具有与风能设备的正常运行相比较低的转速。另外，所述预定的转速范围也可以具有如在风能设备正常运行时出现的转速。在这种情况下，一个确定用于正常运行的发电机优选地用作为辅助发电机。
优选的是，辅助发电机这样设计，使得风能设备中的至少一部分电负载可以持久地通过该辅助发电机进行供电。
在与风能设备连接的电网有故障的情况下优选的是，风速的预定值设定在一个低的数值，使得辅助发电机可以向风能设备中的一部分电负载供电。在此所述预定值大约相当于风能设备的接通速度。优选的是，用于所述至少一个转子叶片的控制单元根据风能设备中需要供电的电负载的功率需求确定调整角的额定值。
本发明的目的同样通过一种风能设备本身解决。该风能设备包括一个机器间、至少一个转子叶片和一个控制单元。所述机器间在其角度定向上可通过至少一个方位驱动装置调整，所述风能设备的转子叶片可在其绕纵轴线的角位置上分别通过一个或多个俯仰驱动装置调整，风强度和风向的测量值传给所述控制单元并且可以由该控制单元进行处理。在慢转运行时在风速的预定值以上时，控制单元控制各驱动装置，使得机器间和所述至少一个转子叶片处于一个由控制单元预定的角位置上，优选地在风中，此时在调整的角位置上，所述至少一个转子叶片以预定范围的转速进行旋转。优选的是，按本发明的风能设备设有一个为预定转速范围设计的发电机，它为了供电通过所述至少一个转子叶片驱动并且向风能设备的至少一部分电负载尤其至少是控制单元、风传感器、方位驱动装置和俯仰驱动装置进行供电。
下面借助于三个流程图解释按本发明方法的三种可能的方案。其中图1按本发明方法的流程图，该方法在超过风速的预定值v1*时转换到受控制的慢转运行；图2按本发明的方法的过程，该方法在电网故障时转换到受控制的慢转运行；图3一种控制方法，该控制方法不仅在超过第一风速v1*时而且在电网故障时转换到受控制的慢转运行，以便向风能设备的负载供电。
具体实施例方式
首先参考图1按本发明的方法在方法步骤10中启动。在随后的判断12中控制单元检验是否测量的风速值v大于风速的预定值v1*。风速的测量值可能涉及瞬时值或者在一时间间隔上的平均值，以平衡风速的短期的波动。风速的预定值v1*在此优选大约在风能设备的通常的切断速度的大小，此时由于大的风强度不能进行正常的运行。
如果测量的风速v超过风速的预定界限值v1*，那么控制单元在一个随后的步骤14中计算转子叶片的方位角的额定值α额定和俯仰角的额定值额定。优选地为了转子叶片的均匀的负荷所有转子叶片移动到相同的俯仰状态。额定值α额定和额定在此这样计算，使得在步骤16中由控制单元确定的额定值被调整之后，风能设备从其实时的转速制动到较低的转速值。然后风能设备以低的但是预定的转速旋转。在图1中未表示一个调节装置，该调节装置可以用于稳定预定的转速。如果通过角度α和得到的转速向上或向下偏离预定的转速间隔，那么如下进行调节干预，使得转速又回到期望的转速范围。在该方法中，机壳保持转向风向。
在图1中描述的方法的特别优点在于，通过以低转速进行慢转运行，即使在暴风的情况下风能设备也是稳定的。转子的缓慢旋转防止由于流入的风或暴风而建立应力和力，这可能损坏风能设备。突然出现的狂风由于转子叶片的旋转也不再是危险的。慢转运行提高了风能设备的稳定性，因此可以相应地设计该风能设备。
图2显示受控制的慢转运行的另一应用，其中在启动18之后在判断20中检验是否电网可供使用，风能设备与该电网连接以馈入电能。如果有电网，那么可以在方法步骤22中用另一控制或调节继续进行，例如也用在图1中描述的方法，如下面还将详细描述的。如果电网有故障，那么在步骤24中检验是否测量的风速v大于预定的最小风速v2*。最小风速v2*在此确定成使得风能设备中的负载的供电可以通过辅助发电机从风中获得。如果测量的风速没有超过风速的预定的最小值，那么在电网供电故障的情况下在步骤26中引入为保证风能设备安全所必需的步骤。为此可以考虑将转子叶片调整到旗帜状态、使控制单元安全和降速、启动应急电机组等。
但是如果在电网故障时能从风中获得的功率足够时，以便通过一个与转子连接的辅助发电机充足地为风能设备产生电能，那么因此控制装置在步骤28中确定方位角和俯仰角的额定值，使得在步骤30中调整预定的角度α和之后，风能设备以对于辅助发电机合适的转速运行。采用一个通过转子驱动的辅助发电机在电网故障时允许风能设备与外界供电或者接通的辅助机组无关地提供对于电负载的供电充足的能量并且从而持久地保持功能正常。
图3显示这两种方法的特别有利的组合。在示于图3的方法中，在步骤32中启动该方法之后首先在步骤34中判断是否供电可以由电网或正常由发电机产生的电来进行。
如果判断34得出有充足的供电，那么在随后的步骤36中检验是否测量的风速超过预定值v1*。如果不是这种情况，那么本方法的该部分经由分支38返回到其初始位置并且可以进行风能设备的正常的控制或调节以便得到最大的功率。
如果相反测量的风速v超过预定值v1*，那么在步骤40中计算方位角和俯仰角的第一额定值(α额定1和额定1)。这些角度可以由控制单元确定成使得风能设备在调整角度之后在方法步骤42中制动到一个预定的转速范围内。通过角度α1和1得到稳定的慢转运行，此时在强风时(v＞v1*)风能设备慢转。
如果相反在判断34中确定电网有故障，那么在步骤44中判断是否风速足够大，以便通过辅助发电机供给足够的电功率。如果不是这种情况，那么类似于在图2的方法中在步骤46中引入相应的应急措施以使风能设备安全。
但是如果判断44得出风是足够强的(v＞v2*)，以便用辅助发电机获得足够的电功率用于向风能设备供电，那么在步骤48中计算方位角和俯仰角的相应额定值(α额定2和额定2)。在方法步骤50中调整所述角度之后，辅助发电机产生对于风能设备的运行足够的电功率，不将它们馈入到电网中。
为简化起见，在上述示例中，风能设备的受控制的慢转运行仅对于控制方位角和俯仰角进行说明。在此假设，风能设备在一定的时期之后改变到预定的转速范围。但是也可以调节到预定的转速范围，即例如通过测量转速的实际值并且在确定角度的额定值时一起考虑所述实际值。
权利要求
1.用于控制和调节风能设备的方法，该风能设备包括一个关于方位角可调整的机器间、至少一个可绕其纵轴线调整的转子叶片和一个在慢转运行时的供电装置，其中，该方法具有如下步骤如果测量的风速超过一个预定的风速值(v1*、v2*)时，那么一个控制单元由风速和风向的测量值(v)确定机器间的一个角位置以及所述至少一个转子叶片的一个或多个调整角；至少一个由供电装置馈电的方位驱动装置将机器间调整到所述由控制单元确定的角位置(α)并且至少一个由供电装置馈电的俯仰驱动装置将所述至少一个转子叶片调整到所述由控制单元确定的角位置()，其中，所述至少一个转子叶片在调整的位置上以预定转速范围的转速进行旋转。
2.按权利要求1的方法，其特征在于用于所述至少一个转子叶片的控制单元至少根据所计算的方位角和/或转速实际值确定调整角的额定值。
3.按权利要求1或2的方法，其特征在于通过电网进行供电，风能设备与该电网连接，其中，预定的速度值(v1*)大约等于风能设备的切断速度。
4.按权利要求1至3之一的方法，其特征在于设有一个辅助发电机，它设计成在预定的转速范围内用于供电并且它的输入轴与一个由转子驱动的轴联接。
5.按权利要求4的方法，其特征在于在与风能设备连接的电网有故障时，风速的预定值设定到一个数值(v2*)，使得辅助发电机可以向风能设备的至少一部分负载供电。
6.按权利要求5的方法，其特征在于所述预定值(v2*)大约等于风能设备的接通速度。
7.按权利要求4至6之一的方法，其特征在于所述预定的转速范围具有与风能设备的正常运行相比较低的转速。
8.按权利要求4至6之一的方法，其特征在于所述预定的转速范围具有如在风能设备正常运行时出现的转速。
9.按权利要求4至8之一的方法，其特征在于确定用于正常运行的发电机设为辅助发电机。
10.按权利要求4至9之一的方法，其特征在于辅助发电机设计成用于向风能设备中的至少一部分电负载供电，这些电负载至少包括控制单元、风传感器、方位驱动装置和俯仰驱动装置。
11.按权利要求4至10之一的方法，其特征在于用于所述至少一个转子叶片的控制单元根据风能设备中需要供电的电负载的功率需求确定调整角的额定值。
12.风能设备，包括一个机器间、至少一个转子叶片、一个控制单元和一个供电装置，所述机器间在其角度定向上可通过至少一个方位驱动装置调整，所述转子叶片可在其绕其纵轴线的角位置上分别通过一个或多个俯仰驱动装置调整，风强度和风向的测量值传给所述控制单元，所述供电装置至少向各驱动装置供给电功率，其特征在于在慢转运行时在风速的一个预定值(v1*、v2*)以上时，控制单元控制各驱动装置，使得机器间和所述至少一个转子叶片处于一个由控制单元预定的角位置上，使得所述至少一个转子叶片以预定转速范围的转速进行旋转。
13.按权利要求12的风能设备，其特征在于设有一个为预定转速范围设计的发电机，它为了供电通过所述至少一个转子叶片驱动并且向风能设备的至少一部分电负载供电，所述负载至少包括控制单元、风传感器、方位驱动装置和俯仰驱动装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制和调节风能设备的方法，该风能设备包括一个关于方位角可调整的机器间、至少一个可绕其纵轴线调整的转子叶片和一个在慢转运行时的供电装置，其中，该方法具有如下步骤如果测量的风速超过一个预定的风速值(v
文档编号F03D9/00GK101094985SQ200580015959
公开日2007年12月26日 申请日期2005年5月4日 优先权日2004年5月18日
发明者E·福斯 申请人:诺德克斯能源有限公司