本发明涉及一种用于控制具有可调节的转子叶片的风能设备的方法。此外，本发明涉及一种借助于这种控制方法来进行控制的相应的风能设备。
背景技术：
风能设备，尤其这种如在图1中示出的风能设备通常具有带有可调节的叶片角度的转子叶片。这种风能设备的控制经常包含：在部分负荷运行和全负荷运行之间进行区分。在部分负荷运行中，风能设备经常运行，直至额定风速，其中转子叶片在此具有固定的叶片角度，所述叶片角度在此也称作为部分负荷角度。
如果风速达到额定风速并且继续升高，那么逐渐地调节转子叶片的迎角，即从风中旋转出，以便避免风能设备的过大的负荷。从额定速度起的运行也称作为全负荷运行并且在此尝试，将转速保持在额定转速并且将输出的功率保持在额定功率。转速和功率均不应升高超过这些数值，最多超过小的数值。
因此，调节确保：转速大约保持所述额定转速值。原则上，代替额定转速或额定功率，也能够以其他数值为基础，然而这是不寻常的。
至少在此，简而言之，实施转速调节，使得在风增大时继续从风中转出叶片，以便能够由此将转速保持在其数值上。如果风再减小，那么叶片相应地再转入风中。
如果出于任意原因所述调节失效，使得在风增大时，叶片不从风中转出，那么转速能够升高至不期望高的数值。为了保护风能设备免受这种过转速的影响，设有应急切断装置，其中在超过相应的过转速时切断风能设备。转子叶片于是也随应急调节转动到平桨姿态中。
在此不利的是，所述过转速极限通常出于安全性原因仅少量地高于额定转速进而能够发生：调节不能足够快地将转子叶片从风中转出，以至于尽管不存在紧急情况而所述应急切断装置响应，因为转速调节原则上完全正常地运转，仅在特殊情况下会是不够快的。在此，不存在对风能设备的危害，因为短时间超过所述转速极限是不严重的。仅强烈地和/或长时间持续地超过这种过转速极限是成问题的。
德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索到如下现有技术：us2009/0047116a1、ep1299779b1、ep2583125b1、ep3029318a1和wo2008/086608a1。
技术实现要素：
因此，本发明基于的目的是，解决所述问题。尤其应提出如下解决方案，其中防止，虽然不存在故障情况而超过过转速极限。至少应相对于至今为止已知的措施提出替选的解决方案。
根据本发明，提出根据权利要求1的方法。据此，以用于控制具有转子叶片的风能设备的方法为前提调节，所述转子叶片具有可调节的叶片角度。风能设备以已知的方式和方法针对直至额定风速的风速在部分负荷运行中运行。针对高于额定风速的风速，风能设备在全负荷运行中运行，其中在全负荷运行中叶片角度随着风速增加而增大，即朝向平桨姿态的方向调节。
现在把极限角度确定为叶片角度的最小值并且控制风能设备，使得极限角度最多低预先限定的角度差。根据如何确定极限角度，所述预先限定的角度差也能够为数值零。极限角度和/或角度差优选是随时间变化的变量。
本发明基于的认识是，仅在非常特殊的情况下，出现不期望地超过过转速极限值，所述过转速极限值导致风能设备的切断。这种特别的情况是存在阵风的情况，其除了阵风以外短周期存在非常弱的风。简而言之，在阵风情况下，在两次阵风之间能够存在暂时的无风或阵风槽
也认识到的是，在全负荷运行开始时，即从部分负荷角度起，叶片角度调节首先具有小的作用。因此，必须在开始时，当风速首先仅略高于额定风速时，尽管叶片角度调节相当多度，以便出现显著的作用，以便因此能够将转速保持为大约额定转速。由此，尤其在开始时存在如下问题：尽管风速没有强烈地改变，而叶片角度强烈地改变。因此，在此需要多的调节功率并且能够持续相对长的时间，以执行调节。
为了避免这种情况，把极限角度确定为叶片角度的最小值。如果现在出现所描述的阵风槽，那么转子叶片角度首先减小，即转入风中，但是仅转动直至极限角度低预先限定的角度差为止。防止叶片角度的进一步减小。由此防止，叶片角度过强烈地远离如下数值，在这种阵风的风况中可能在短时间内再必须采用所述数值。
换言之，叶片角度在阵风中首先位于正确的位置中。如果现在出现无风或阵风槽，那么仍然不转动该角度极其远离如下位置：转子叶片在阵风下具有所述位置。如果阵风槽现在结束并且再次出现强的阵风，那么仅需要将叶片角度再次向回仅转动小的值至如下角度，所述角度适合于现在再次出现的阵风。
因此，通过这样确定极限角度实现简单的实际的解决方案，所述解决方案在其他方面不改变现有的、调节叶片角度的转速调节。仅给出这种需遵循附加条件的极限角度。极限角度和/或角度差能够被临时地确定。
根据一个实施方式提出，如果已经确定至少一个预先限定的阵风频率和/或风的阵性
因此，在不具有风的大的阵性的风况下，不进行极限角度的确定，或风能设备的相应的控制。
在此，如下定义阵风。
如果风速在几秒之内，例如20秒之内和至少3秒之内持续地超过测量出的1分钟平均值至少3m/s。也能够经由当前风速与10分钟平均值比较得到阵风，其中能够将更少量的超过，例如在1.7m/s的范围内的超过视为阵风。相应地，能够确定阵风进而也可行的是：对阵风计数进而确定其频率，即每时间区间内的出现次数。
因此，阵风频率是如下值，其说明，在预先限定的时间区间内阵风出现几次。阵性说明，在盛行风中的阵风的份额是多少。
由此，转速调节对于其大部分应用而言，即总是当不存在风的大的阵性时，不受所述根据本发明的解决方案影响。只有当确定阵性时，才确定这种极限角度或执行相应的控制。就此而言考虑两种可行性，仅在风的阵性的情况下才激活所述提到的解决方案。一个可行性在于，首先特别确定极限角度。因此，可以事先设定从未被考虑过的极限角度，因为所述极限角度例如具有高的负值。此外或替选地，能够简单地与阵性相关地激活或再次去激活控制。在此情况下，极限角度总是能够确定为有效的数值，其中只有当激活相应的调节时才考虑所述数值。替选地，角度差也能够采用大的数值，使得极限角度从不低于这种角度差。否则，角度差例如能够在5够的范围中，这在下文中再被阐述。
替代地或附加地
-达到风的预先限定的阵性，
-达到风的预先限定的阵风频率，以及
-在预先限定的时间段内检测出峰值转速至少一次，所述峰值转速高于额定转速多于预先限定的公差值。
根据另一设计方案提出，根据检测出的阵性确定极限角度。因此，也能够根据检测出的阵性确定这种极限角度的大小和/或动态。在此尤其考虑：风越是多阵风的，就将将极限角度确定为更高。因此，在风的阵性特别强时，即当出现也具有高幅度的多阵风时，这经常也随之带来相应弱的阵风槽时，所描述的效应能够设定于尽可能高的数值。通过如下方式能够实现类似的效应：根据检测出的阵性确定角度差。因此，如果存在高的阵风幅度的特别强的阵性并且也具有非常低的风速的阵风槽，那么角度差在绝对值方面也可能选择为特别小。
优选地，预先限定的角度差选自下表中的值：0的至10值、30至80的数值范围和5数的数值。因此，角度差优选位于0因至10此的范围中，尤其在3范至8范的范围中，并且尤其所述角度差具有大约5约的数值。
尤其当极限角度大致对应于叶片角度的最后设定的、大的数值时，通过大约5过的数值实现：叶片角度不距最后的数值过远。即因此如果出现所描述的无风或所描述的阵风槽并且随后角度在没有通过极限角度进行所述限制的情况下非常强烈地转回，例如转回20回或30回，那么在此限制于大约5约防止所述大的差，并且该角度随后在再次出现阵风时不距随后必须被设定的角度非常远。
代替大约5替的数值，也能够选择在3能至8能的范围中的数值。由此也还可实现通过这种角度差进行的良好的限制。也考虑0良至10好的范围。就此而言，10而已经是角度差的大的数值，然而所述角度差也许还能够是足够的，至少与上文示例地提到的20文或30°的偏差相比是明显更小的数值。提出0度为角度差的下限，使得为了使叶片角度向下的限制变得有效而至少必须达到该极限角度。
除此之外，当然能够纯计算地也将极限角度改变任意数值并且能够将角度差以相同的方式调整所述任意数值。尽管这根据本发明未被提出，然而因此以相同的方式结束，进而因此也实现根据本发明的教导。即因此如果相对于当前的时刻，确定20定的极限角度并且选择5且的角度差，那么在此刻，叶片角度不应降低至小于15至。
根据一个实施方式提出，将极限角度作为最后设定的叶片角度的平均值或经滤波的数值求出。简单一些来说，极限角度大致采用最后设定的叶片角度值，然而明显更慢地变化。在此基于的想法是，通过这样选择的极限角度与大于零的角度差一起，叶片角度与大致对应于其最后的数值的数值相差不大于所述角度差。
缓慢的变化在此例如能够通过求平均值通过如下方式进行：即在最后的8秒之上对在该时间内设定的叶片角度取平均。如果现在风强烈地降低并且控制装置尝试相应强地减小叶片角度，那么这更快地达到极限，所述极限从极限角度和角度差中得出。但是，极限角度缓慢地遵循所述至少略微减少的叶片角度，使得极限角度也减小，当然非常慢地减小。由此能够实现，在所描述的不需要维持非常长的时间的阵风槽中，能够不进行叶片角度的强的减小，还有极限角度的强的减小，因为对此阵风槽的持续时间是过短的。然而，如果风持久地保持为小的数值，那么极限角度也能够相应地减小并且叶片角度也最终采用相应小的数值，所述数值于是适合于弱的盛行风速。因此，如果低风速持续更长时间，那么也不再会预期到突然的阵风，并且相应地，设备的叶片角度也需要距对于强的阵风或不同高的风速所需的叶片角度相差大的数值。
根据最后设定的叶片角度，极限角度的类似的缓慢的特性可通过相应的滤波实现，尤其通过低通滤波特性实现。这种滤波的简单的且有效的可行性是使用一阶的延迟项。极限角度于是可能是这种一阶延迟项的结果，所述延迟项具有当前的叶片角度作为输入值。
优选地，提出极限角度确定的不同的可行性，即在横跨长度为5秒至20秒的时间段，优选在横跨长度为6秒至15秒的时间段，尤其在横跨长度为大约8秒的时间段，对最后设定的叶片角度取平均值。由此也能够设定相应的时间常数，所述时间常数通过提出的范围或提出的数值针对求平均值时间段的长度来设定。通过选择在5秒至20秒范围内的求平均值时长能够满足如下要求，所述要求一方面实现极限角度变化的足够的惯性，使得叶片角度不会过快地过强地降低并且在反复阵风的情况下于是不能足够快地转动到期望的数值。然而，另一方面也避免，所述行为过慢进而由于过差的调节不利地影响风能设备的效率。从6秒至15秒的范围中选择求平均值的时间段更大程度地考虑这两个标准。选择大约8秒的时间段能够认定为充分地考虑两个标准的良好的数值。
同样，能够设有低通滤波装置，其尤其在应用一阶低通滤波时选择5秒至20秒的范围内、优选在6秒至15秒的范围内的时间常数，并且尤其选择大约8秒的时间常数。有利的作用从针对求平均值的求平均值时常的选择所给出的相同的阐述内容中得出。
应用一阶低通滤波器，尤其所谓的pt1特性或vz1特性，是有利的，因为这种性能是无过度振荡的。尽管，在类似的时间常数选择中也能够使用更高阶的低通滤波器。其余的参数优选应选择为，使得滤波器不倾向于过度振荡。然而，一阶低通滤波或求平均值通常应是足够的。
根据一个实施方式提出，根据阵风频率设定极限角度并且此外或替选地设定角度差。可将其理解为如下值，所述值说明：在预先限定的时间区间中出现几次阵风。如果大致已知所述阵风频率，那么能够容易地估算，在阵风槽之后，阵风的快速重复的上述现象以何种程度出现。如果所述行为更弱地构成，即如果在阵风槽之后会预期不那么强的阵风重复，那么角度差能够显得更大。因此，能够允许叶片角度的更强的或更快的变化。在此也重要的是极限角度和角度差的相互作用。所述相互作用例如能够不变地确定极限角度，然而仅根据阵风频率设定角度差。另一方面，替代于此，能够根据阵风频率设定极限角度。在此，尤其考虑：根据阵风频率设定在求极限角度的平均值时的求平均值时间段的持续时间或时间常数。在此，阵风频率越高，那么将用于求平均值的时间段和低通滤波器的时间常数设定为越大。
同样，极限角度的确定以及角度差的预先限定能够根据阵风效率进行，然而也彼此配合地进行。
根据一个实施方式，以如下为基础：在部分负荷运行中，针对叶片角度设有固定的部分负荷角度。为此提出，极限角度或极限角度减去角度差不小于所述部分负荷角度。叶片角度通常总归设定为不小于部分负荷角度并且就此而言将限角度或极限角度减去角度差限制于此也被认为是适宜的。
根据一个实施方式提出，极限角度随着时间和/或随着与时间相关的梯度降低，尤其线性地降低。由此能够实现与在通过求平均值或低通滤波设定极限角度的情况类似的效应，如其在上文中描述。通过所述随着时间的降低实现，首先能够选择防止叶片角度在阵风之后过强烈地减小的极限角度，其中所述随时间的降低能够经由与时间相关的梯度来预设。然而，如果小的风速持续时间长，那么于是在一定时间之后也应当能够相应地减少叶片角度。这能够通过提出的极限角度关于时间和/或随着时间梯度的变化实现。
根据本发明，也提出一种风能设备，其具有至少一个可调节的转子叶片，优选三个可调节的转子叶片并且也相应地具有用于调节所述一个或三个转子叶片的控制装置。在此，根据本发明，控制装置配置为，执行根据至少一个上文所阐述的实施方式的方法。控制装置的所述配置尤其能够通过将相应的方法在控制程序中编程的方式实现。
因此，提出一种风能设备，其具有有效的保护，所述保护防止：尽管在转速调节中不存在故障，而在从阵风变换到无风或阵风槽和再次变换阵风时，无意地出现过转速并且必须应急切断风能设备。因此，通过提出的方法防止，尽管调节正常工作但是仍出现这种过高转速。
附图说明
下面示例地参照附图详细阐述本发明。
图1示出风能设备的立体视图。
图2示出应图解说明转速、风速和叶片角度之间的关联的示意图。
具体实施方式
图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有转子106，所述转子具有三个转子叶片108和导流罩110。转子106在运行中由风置于转动运动中进而驱动在吊舱104中的发电机。
在图2中与时间相关地示出风速vwind、叶片角度α和转子转速n。尽管纵坐标的轴标记说明相应变量的单位，然而对于该基本的阐述而言精确的数值是不重要的。
除了实际的叶片角度α以外，也能够绘出极限角度αg的可能的变化以及极限角度αg减去角度差δα的变化并且在那里表示为αg-δα。此外，示出两个点虚线构成的部分变化，即改变的角度αmod，所述改变的角度说明叶片角度根据本发明应当如何变化，和示出转速nmod，所述转速还说明所得出的转速。
在图2的示图中认定，风速在时间点t1升高于是存在阵风。随着风速升高，转速n同样首先同样升高。为了抵制转速升高，也提高叶片角度α。可看到的是，叶片角度α也能够在时间点t1之前略微波动，以便保持转速n大致恒定。就此而言，也非常成功地使转速n在时间点t1之前保持恒定。然而，在时间点t1之后立即出现的阵风造成转速n的显而易见的升高。
对于角度α的变化附加地，也能观察极限角度αg，所述极限角度形成角度α的平均值。相应地，相对少地改变极限角度αg的变化。
此外，针对极限角度αg还绘出角度差δα。极限角度αg最多可低角度差δα。相应地得到要遵循的极限，所述极限也作为αg–δα绘出。所述极限短暂地在时间点t1之后开始并且所述开始以“start”表示。现在在此仅探测到|：存在风的一定的阵性进而将角度差δα切换为有效。在本实例中，总是记录极限角度αg，即作为角度α的平均值。为了现在应用角度差δα，也将相应的调节切换为有效，所述调节检查：是否遵循极限角度αg最多低角度差δα。
随着时间延续，阵风随后过去并且而风速vwind例如再次具有时间点t1之前的数值。在此期间，转速n也可以调节至其初始数值，即额定转速nn。叶片角度α也再次相应地降低至如大致在时间点t1之前的数值。还可见不可避免的波动，因为风也略微波动。所述波动在如所述那样形成所述叶片角度α的平均值的极限角度αg中几乎不可见。
在时间点t2，风速开始降低。这是根本上减弱的风速的开始还是是阵风槽是不可识别的。无论如何，风速相对强烈地降低，使得转速n也首先降低。叶片角度α同样降低，以便现在尽可能保持转速n，即反抗转速n的降低。
极限角度αg由于求平均值首先仅弱地遵循叶片角度α的该变化。
然而，风速vwind继续降低并且叶片角度α随后在时间点t3达到如下数值，所述数值比极限角度αg低角度差δα。现在，在该点处开始所提出的调节。
然而，图2用角度α的实线的变化并且也用转速n的实线的变化示出不应用提出的调节可以产生的变化。据此叶片角度α不断继续降低，直至时间点t4转速n可以调节到初始转速，即调节到额定转速nn。在此预防性地指出：该射线也用于说明并且完全也可以的是：风速随后强烈地降低，使得风能设备处于部分负荷运行中并且转速n在缺少风的情况下完全不能保持为额定转速nn。然而，为了图解说明以如下为基础：所描述的过程完全处于全负荷运行中或针对通常在全负荷运行中存在的风速进行所述过程。
因此，现在根据叶片角度的和转速n的实线可行的是，将转速n保持为其额定值nn。
现在，在时间点t5风速再次强烈地升高。这在阵风的风速下能够是典型的。相应地，转速n也升高并且叶片角度α同样再次升高，以便抵抗转速n的该升高。
现在存在特别的情况，即风速首先是相对小的并且叶片角度α也是相对小的，转速n仍然具有额定值进而也不距极限转速nmax相差很多。由于该现在快速增大的风，转速也以一定程度升高，使得叶片角度的控制未实现：充分地保持转速防止强烈地升高。因此，转速n随后在时间点t6达到转速的最大值nmax进而必须在时间点t6进行应急切断，并且一般也可能进行所述应急切断，因为其是无法排除的安全方面。
然而，为了说明的目的，图2示出转速n的另外的变化，即去激活所述应急切断。相应可见的是，转速n还大致继续升高，然而因为叶片角度α同样继续升高，最终能被找平，能够降低到最大转速nmax之下并且最终也能够调节到额定转速nn的数值。
如果现在采用所建议的调节执行所述方法，那么在时间点t3不允许叶片角度α下降至低于αg-δα的数值。所述偏差的变化在此用点虚线示出。因此，所述点虚线首先沿着极限αg-δα伸展。其结果首先是，转速nmod比在没有所述调节的情况下的转速更强烈地降低。在时间点t4，所述转速nmod也还比没有所述提出的保护调节的情况下的转速n明显更小。在时间点t5，所述转速nmod也还比转速n明显更小。
在时间点t5，当风现在强烈地升高时，于是叶片角度，即αmod也强烈地升高。因此，所述叶片角度αmod已经大于正常的叶片角度α。能够相应强烈地调节转速nmod并且防止过高的升高。在此，以有利的方式引起：转速nmod此外还小于转速n。因此，叶片角度比没有所述进行保护的调节的情况下更大并且转速比没有进行保护的调节的情况下更小。
因此，所述改变的叶片角度αmod在时间点t5向上离开极限特征曲线αg-δα。
在时间点t6，针对所述变化，在应用用于保护的调节时，不存在特殊性。然而可见的是，改变的转速nmod没有达到极限转速nmax进而避免切断。
还要指出的是，极限角度αg也从时间点t3起相对平坦地降低，因为所述极限角度在此遵循根据所变更的叶片角度αmod的实际角度的变化曲线。
最后，在转速特征曲线中还绘出阴影区域，即在没有用于保护的调节的转速变化和具有用于保护的调节的转速变化nmod之间的区域。所述阴影区域应说明功率损失，所述功率损失能够通过用于保护的调节产生。在此要注意的是，这仅用于说明并且实际上可能在时间点t6进行应急切断。预设，当然在所述时间点t6之后的阴影区域也被略去或更确切地说在点虚线的转速特征曲线nmod之下的阴影区域必须被向下绘制直至时间轴。因此，可容易看到的是，假定的功率损失是小的并且与实际上可以防止应急切断的情况下相比，无论如何不会是负值。纯预防性要指出的是，所述阴影区域仅用于观察而且当然转速关于时间的积分在单位方面已经不会得出功率。
因此，能够以简单的方式和方法提出如下解决方案：在过转速下防止不期望的应急切断。此外，丝毫不需要进行硬件调整。尤其，不需要使用更强的桨距马达。提出的调节既不需要附加的测量变量也不需要附加的控制变量。