风能设备和用于控制风能设备或风力发电厂的方法
【专利摘要】本发明涉及一种风能设备(100)，所述风能设备具有：吊舱(104)和转子(106)；第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量单元(1100，1200)以用于发送微波和/或雷达波并且用于检测微波和/或雷达波的反射，以便检测风数据和/或气象学数据或关于在所述风能设备(100)前方和/或后方的风场的信息；和风能设备的控制机构，所述控制机构根据由第一和/或第二测量单元(1100，1200)检测到的数据来控制风能设备(100)的运行。
【专利说明】风能设备和用于控制风能设备或风力发电厂的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风能设备和一种用于控制或调节风能设备或风力发电厂的方法。
【背景技术】
[0002] 为了控制或调节风能设备有利的是，变量例如风速或气象学特征值是已知的。对 风力状况的变量的测量进行得越好并且越准确，风能设备越能够更好地适应于所述变量。
[0003] EP 1 432 911 B1示出一种基于S0DAR(声雷达）系统的用于风能设备的预警系 统，所述S0DAR系统安装在风能设备的吊舱上并且检测在风能设备的转子前方的区域。借 助于S0DAR系统能够检测在风能设备前方的风力状况并且风能设备的控制或调节能够相 应地进行匹配。
[0004] JP 2002 152975 A示出一种风能设备和单独设置的雷达单元以用于检测风矢量。
[0005] EP 1 770 278 A2示出一种用于控制风能设备的系统。借助于光探测与测距装置 LIDAR通过检测所发射的光的反射或散射来检测在风能设备前方的风速并且相应地控制风 能设备。
[0006] US 6, 166, 661不出一种用于具有雷达系统的飞机的冰检测系统。
[0007] US 2002/0067274 A1示出一种用于借助于雷达单元检测冰雹的方法，其中雷达单 元用于检测和跟踪冰雹。如果检测到冰雹，那么产生报警信号并且转子叶片的位置能够相 应地改变。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是，提出一种风能设备和一种用于控制或调节风能设备或风力发电 厂的方法，这能够实现更好地匹配于风能设备周围的气象学特征值或风力状况。
[0009] 所述目的通过根据权利要求1所述的风能设备和根据权利要求5所所述的用于控 制风能设备或风力发电厂的方法得以实现。
[0010] 因此，设有具有吊舱、转子、旋转部、第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量 单元的风能设备以用于发送微波和/或雷达波并且用于检测微波和/或雷达波的反射，以 便检测风数据和/或气象学数据或关于在风能设备前方和/或后方的风场的信息。风能设 备同样具有调节器，所述调节器根据由第一和/或第二测量单元检测到的数据来控制风能 设备的运行。第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量单元设置在吊舱和/或旋转部 上。
[0011] 本发明基于的思想是，在风能设备的吊舱上或在旋转部（风能设备的转动的部 分）的区域中设有测量单元，所述测量单元借助于微波技术或雷达技术检测在风能设备前 方和/或后方的风力状况或气象学情况。由测量单元检测到的风数据和/或气象学数据能 够转发给风能设备的控制机构。风能设备的控制机构能够基于前馈原理，使得风能设备的 运行能够基于由测量单元检测到的风数据进行匹配，例如以便最大化产量或最小化在风能 设备上的负荷。
[0012] 借助于微波技术或雷达技术测量单元能够确定涡流、斜向入流、后尾流 (]\achlaufstr6mung)、风切变、风改向、风向和/或风速。
[0013] 根据本发明能够将由测量单元检测到的风数据用于风能设备的状态监控，并且能 够相应地匹配风能设备的模型。
[0014] 根据本发明能够将由测量单元检测到的风数据用于控制风力发电厂中的风能设 备。
[0015] 根据本发明的另一方面，风数据能够用于转子叶片的结构监控。
[0016] 气象学特征值例如能够是风速（例如具有其水平分量），推导出的值例如风速分 布（风切变）、涡流、标准方差/平均风速、斜向入流（具有坚直分量的风速）、风向、在转子 圆面之上的风转动分布（风改向）、空气压力、空气温度、空气湿度、空气密度、降水种类、云 层密度、视域和/或总辐射。
[0017] 本发明的其他设计方案是从属权利要求的主题。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 在下文中，参照附图详细阐述本发明的优点和实施例。
[0019] 图1示出根据第一实施例的风能设备的示意图，
[0020] 图2示出根据第二实施例的风能设备的示意图，
[0021] 图3示出根据第三实施例的风能设备的前馈控制机构的示意图，
[0022] 图4示出根据第四实施例的风能设备的状态监控的示意图，
[0023] 图5示出根据第五实施例的风能设备的模型优化的示意图，
[0024] 图6示出根据第六实施例的风力发电厂的示意方块图，
[0025] 图7示出根据第七实施例的中央风力发电厂调节装置的示意图，
[0026] 图8示出根据第八实施例的风能设备的示意图，
[0027] 图9示出根据第九实施例的风能设备的示意图，
[0028] 图10示出根据本发明的风能设备的示意图，
[0029] 图11示出根据本发明的风能设备的另一示意图，
[0030] 图12示出根据本发明的风能设备的另一示意图，以及
[0031] 图13示出用于根据本发明的风能设备的多个测量场的示意图。
【具体实施方式】
[0032] 对风结构的预测表示减少风能设备的和尤其风能设备的转子的由风造成的空气 动力学负荷的可能性。在此，转子的迎角（俯仰角）例如能够相应地变化。借助于对风结 构的预测例如通过根据本发明的微波技术或雷达技术测量单元也能够实施用于风能设备 以及多个风能设备的风力发电厂的产量优化、声音优化、结构监控等。
[0033]图1示出根据第一实施例的风能设备100的示意图。在图1中示出具有塔102和 吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和旋转部110的转 子106。转子106在运行时通过风而处于转动运动并且由此驱动吊舱104中的发电机。转 子叶片108的迎角（俯仰角）是能调节的。在吊舱104上能够设有微波或雷达技术测量单 元1100和/或在旋转部110上同样能够设有另一微波和/或雷达技术测量单元1200。所 述测量单元1100、1200用于检测在风能设备100前方的风力状况（在测量单元1200的情 况下）或检测在风能设备100前方和后方的风力状况（借助于测量单元1100)。
[0034] 图2示出根据第二实施例的风能设备的示意图。根据图2的风能设备（第二实施 例）能够对应于图1的根据第一实施例的风能设备。在风能设备的吊舱104上设有微波或 雷达技术测量单元1100。测量单元1100能够发送雷达波和/或微波并且检测所述雷达波 或微波的反射，以便由此推导出对在风能设备前方和后方的风力状况和/或气象学情况的 认知。尤其，将测量单元1100设置在吊舱104上（即设备的不转动的部分）能够实现检测 在风能设备100的前方以及后方的风力状况。在风能设备100后方的风力状况也能够是有 意义的，因为所述风能设备能够此外给出关于动能转换为转子叶片108的旋转运动的效率 的信息。
[0035] 如果微波或雷达技术测量单元1200设置在风能设备100的旋转部110上，那么能 够进行对风能设备前方的风力状况的检测。根据第二实施例，能够借助于测量单元1100、 1200和调节器30检测涡流、斜向入流、后尾流、风切变、风改向、风向和风速。在此，风改向 是关于高度的风向转动并且风切变是关于高度的风力分布。所述测量值能够借助于测量单 元1100U200检测并且转发给风能设备的控制机构，所述控制机构能够相应地匹配风能设 备的控制规则。
[0036] 图3示出根据第三实施例的风能设备的前馈调节器300的示意图。根据第三实施 例的风能设备100能够基于根据第一或第二实施例的风能设备100。尤其，在图3中示出 风能设备的调节器300。根据第三实施例的风能设备100还具有微波技术或雷达技术测量 单元1100或1200。由测量单元1100、1200确定的数据能够在调节器300的数据处理单元 320中进行处理。风能设备100的调节器300能够具有前馈调节器330、路段模型单元370、 扰动模型单元340、控制器350和转速调节电路380。
[0037] 从由测量单元1200检测到的风场数据或风数据和/或气象学数据中能够确定对 于在风场中的扰动效应表征的参数。如果事先已知扰动，那么能够借助于前馈控制机构抵 抗扰动效应。测量单元1200能够如已经在上文中描述的那样确定风速、风向、风切变、风改 向、后尾流、涡流和/或斜向入流。在扰动模型单元340中存储有扰动特性并且在路段模型 单元370中存储有风能设备的模型。
[0038] 基于测量单元1200的测量数据能够确定调节值iGF(s)的取向。这能够在前馈调 节器330中进行。在扰动模型单元340中，能够将扰动值在过程输出端上的成像进行模型 化。借助于扰动模型单元340能够进行扰动值补偿。扰动值的补偿能够经由转子叶片的迎 角通过前馈调节（向前调节）进行。对于设定调节角替选地或附加地也能够执行转子叶片 的轮廓变化（即转子叶片的主动变化以用于调节间距）。调节器350用于使调节规则匹配 以将优化目的映射到调节可能性。在调节器350中能够设有用于入流角以及其他调节值的 变化规则。
[0039] 为了改进扰动传递函数能够援引在风能设备的位置处的风结构以及气象学特性。
[0040] 为了优化前馈调节器330能够可选地进行传递函数F(s)的匹配。换言之，传递函 数F(s)的参数能够根据测量单元1200或1100的在数据处理单元320中处理的测量数据 进行匹配。由此，能够实现扰动值的适应补偿。
[0041] 图4示出在根据第四实施例的风能设备中的状态监控的示意图。根据第四实施例 能够将测量单元1100、1200的测量数据用于风能设备的状态监控单元410或其部件。风能 设备的状态监控单元410是必需的，以便此外减少设备停工时间。此外，状态监控能够用于 进一步开发风能设备。状态监控能够用于风能设备的转子叶片、吊舱、转子和/或塔。
[0042] 测量单元1100U200的测量数据能够存储在风数据存储单元430中。借助于叶片 应力测量单元470能够检测转子叶片108的实际应力。存储在风数据存储单元430中的风 数据被输送给风能设备模型单元420,所述风能设备模型单元将数据插入到模型中。在比较 单元460中将模型单元420的输出信号与叶片应力测量单元470的输出信号比较。如果不 能确定差别，那么模型对应于实际的风能设备。然而如果存在差别，那么意味着存储在模型 单元420中的模型与事实不一致。在状态观察单元450中能够将由测量单元1100U200检 测到的风数据用于模型状态估算。根据估算出的状态能够重构所述转子叶片108的当前结 构状态。
[0043] 如果当在检测到的叶片应力和由模型确定的叶片应力之间进行比较时确定存在 差别，那么能够将理论的负载模型假设关于风力发电厂位置进行匹配。这能够在适应规则 单元440中进行。匹配能够在线和离线地进行。
[0044] 在风能设备开始运转的情况下，能够借助于测量单元1100U200的测量结果检查 负载假设。如果在检测到的测量值和由模型确定的值之间的偏差过大，那么在控制规则单 元480中能够进行改变以用于负载优化。这在成本、声音优化和产量优化方面能够是有利 的。
[0045] 图5示出根据第五实施例的风能设备的模型优化的示意图。在图5中除了监控转 子叶片108的应力以外，监控单元510也能够实现用于监控转子106和塔102的应力。为 此，设有转子和/或塔应力监控单元580、优化单元520和可选地设有控制规则单元580。在 此，能够如根据图4描述的那样进行负载技术方面的优化。
[0046] 此外，负载和/或产量优化或声音优化不仅能够对于单个的风能设备进行，而且 也能够对于具有多个风能设备的风力发电厂进行。在此，能够考虑本地的风况以及风力发 电厂拓扑结构（风能设备数量、风能设备的取向、在风能设备之间的间距）。
[0047] 图6示出根据第六实施例的风力发电厂的示意方块图。在图6中示出的情况中， 风力发电厂能够具有多个风能设备611、612、613，其中风能设备中的至少一个具有微波技 术或雷达技术测量单元1100U200。风测量的结果能够转发给中央风力发电厂数据存储器 620。
[0048] 风力发电厂计算机610能够与风力发电厂数据存储器620连接。风力发电厂计算 机610还能够分别与风能设备连接并且能够控制所述风能设备。对风力发电厂的各个风能 设备的控制能够基于声音优化、产量优化和/或负载优化。
[0049] 在根据第六实施例的相应的风能设备中，能够设有根据第三实施例的前馈调节 器。对此附加或替选地，在风力发电厂计算机610中例如也能够实现根据第三实施例的前 馈补偿。一个风能设备上的测量单元1100U200的至少风数据用作为前馈补偿的输入信 号。然而，优选地，一同考虑所有风能设备的测量单元1100U200的风数据。风力发电厂计 算机610还能够设计为，控制风能设备，使得负载均匀地分布在风能设备100上。
[0050] 图7示出根据第七实施例的中央风力发电厂调节装置的示意图。在图7中示出与 中央风力发电厂计算机710连接的多个风能设备711-726。
[0051] 风力发电厂计算机710再与风力发电厂数据存储器720耦联。到相邻的风能设备 的距离为Ax或Ay。
[0052] 图8示出根据第八实施例的风能设备的示意图。在图8中示出具有塔102、吊舱 104和第一和/或第二微波或雷达测量单元1100、1200的风能设备100。第一和/或第二 测量单元能够用于测量转子叶片108。在转子叶片测量单元810中能够从第一和/或第二 测量单元1100U200的测量数据确定转子叶片弯曲线、表面侵蚀、叶片角、叶片状态、叶片 扭转和冰识别。
[0053] 图9示出根据第九实施例的风能设备的示意图。风能设备的转子叶片108借助于 转子叶片测量单元910测量。转子叶片测量单元910的结果被输送给算法单元920。此外， 将来自离线知识单元930的数据同样输送给算法单元920。算法单元920的输出信号能够 输送给控制规则单元940。
[0054] 根据本发明能够在风力发电厂中减少由风能设备产生的湍流，使得能够减少到相 邻的风能设备的间距。
[0055] 根据本发明能够在检测后场时驱动风能设备100,使得优化相邻的或紧随的风能 设备的效率或使得优化风力发电厂的风能设备的总功率。
[0056] 根据本发明的另一方面，能够借助于上文所述的风能设备100和微波技术和/或 雷达技术测量单元1100U200通过借助于微波技术和/或雷达技术测量单元测量转子叶片 的方式来进行叶片测量。
[0057] 根据本发明的另一方面，能够借助于微波技术和/或雷达技术测量单元不仅检测 和测量转子叶片，而且还检测和测量风能设备的其他部件，使得风能设备随时了解设备的 当前状态。借助于微波技术和/或雷达技术测量单元能够识别在转子叶片上的侵蚀（与理 论状态的差别）和/或冰附着物。借助于根据本发明的微波技术和/或雷达技术测量单元 不仅能够确定侵蚀或冰附着物，而且也能够确定侵蚀和冰附着物的位置。
[0058] 图10示出根据本发明的风能设备的示意图。在此示出风能设备100的吊舱104以 及两个转子叶片108。此外，根据本发明的测量单元1100设置在吊舱上并且放射具有开启 角a的测量场。根据与根据本发明的测量单元1100的距离xl、 X2增大测量平面的面积。
[0059] 图11示出根据本发明的风能设备的另一示意图。在吊舱104上能够例如以2m(或 更高）的高度设置根据本发明的测量单元1100。根据本发明的测量单元1100必须具有高 于吊舱104的最小高度，由此所述测量单元能够测量风能设备前方的风场。
[0060] 可选地，另一根据本发明的测量单元1200能够设置在风能设备的转子106上。在 此，转子106的几何形状能够用于安装测量单元。如果如根据本发明所描述的那样将测量 单元1200设置在转子106上，那么能够避免由于转子叶片移动而引起的遮暗（如在根据本 发明的测量单元1100中存在的那样）。
[0061] 图12示出根据本发明的风能设备的另一示意图。风能设备能够具有根据本发明 的测量单元1100和/或1200。通过选择相应的开启角a 1、a 2和a 3的相应的开口能够 (如所示出地）确保，测量平面A1、A2、A3具有相同的大小或相同的面积。
[0062] 图13示出用于根据本发明的风能设备的多个测量场的示意图。通过使用多个测 量场Al、A2、A3能够确定在相应的测量场Al、A2、A3之内的测量值以及在相应的测量点之 间的测量值。由此能够实现对风能设备前方和后方的风场的更准确的检测。根据本发明， 必须存在至少两个测量点Ml、M2,以便能够借助于开启角a计算风矢量W12。借助于仅一 个测量点仅能够检测沿测量路径的风速。测量点的的间距沿朝向叶片尖部方向变小，即在 叶片外部区域中能够实现较高的分辨率。在此，要指出的是，刚好在叶片外部区域中通过到 转子轴的间距产生叶片弯曲力矩，所述叶片弯曲力矩从现在起能够被检测到。
【权利要求】
1. 一种风能设备（100)，所述风能设备具有： 吊舱（104); 转子（106); 旋转部（110); 第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量单元（1100,1200)以用于发送微波和/ 或雷达波并且用于检测微波和/或雷达波的反射，以便检测风数据和/或气象学数据或者 关于在所述风能设备（100)前方和/或后方的风场的信息；和 调节器（300)，所述调节器根据由所述第一和/或第二测量单元（1100,1200)检测到的 数据来控制所述风能设备的运行， 其中所述第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量单元（1100,1200)设置在所述 吊舱（104)上和/或所述旋转部（110)上。
2. 根据权利要求1所述的风能设备，其中所述调节器基于前馈调节，并且由第一和/或 第二测量单元（1100,1200)检测到的所述风数据用于所述前馈调节。
3. 根据权利要求1或2所述的风能设备，其中 所述第一和/或第二测量单元（1100,1200)设计为用于检测在所述风能设备前方和/ 或后方的斜向入流、后尾流、风切变、风改向、风向和/或风速。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的风能设备，其中所述调节器（300)具有模型单 元（370)，其中将由所述第一和/或第二测量单元（1100,1200)检测到的风数据输送给所述 模型单元（370)并且将在所述模型单元（370)中的建模的结果与所述风能设备的实际检测 到的参数进行比较。
5. -种用于控制一个风能设备或在风力发电厂中的多个风能设备（100)的方法，其中 至少一个所述风能设备（1〇〇)具有吊舱（104)、旋转部（110)和转子（106)以及所述第一和 /或第二微波技术或雷达技术测量单元（1100,1200)以用于检测在所述风能设备前方和/ 或后方的风数据和/或气象学数据， 其中所述第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量单元（1100,1200)设置在所述 吊舱（104)和/或所述旋转部（110)上，所述方法具有下述步骤： 基于由所述第一和/或第二测量单元（1100,1200)检测到的风数据控制至少一个风能 设备（100)。
6. -种具有多个尤其根据权利要求1至4中任一项所述的风能设备的风力发电厂，其 中所述风能设备（100)中的一个具有第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量单元 (1100,1200)，其设计为执行对所述风能设备（100)后方的风场的测量， 其中所述风能设备（100)的控制机构设计为用于优化所述风能设备的运行并且在所 述风能设备运行时进行干预，以便根据测量到的所述风场来优化具有多个风能设备（100) 的整个所述风力发电厂的功率。
7. 根据权利要求1至4中任一项所述的风能设备，所述风能设备此外具有在所述转子 (106)上的至少两个转子叶片（108)，其中 所述第一和/或第二微波技术和/或雷达技术测量单元（1100,1200)设计为用于借助 于微波和/或雷达波测量所述转子（108)。
8. 根据权利要求7所述的风能设备，其中所述第一或第二微波技术和/或雷达技术测 量单元（1100,1200)设计为用于检测在所述转子叶片（106)上的侵蚀和/或冰附着物。
【文档编号】F03D11/00GK104364522SQ201380031534
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年6月11日 优先权日:2012年6月15日
【发明者】于尔根·斯托尔滕约翰内斯, 维尔纳·欣里希斯·波伦, 威廉·梅利 申请人:乌本产权有限公司