用于确定等效风速的方法与流程

本发明涉及一种用于确定风能设备的转子叶片平面的等效风速的方法。此外，本发明涉及一种风能设备，所述风能设备配置用于检测转子叶片平面的等效风速，并且本发明涉及一种风电场。

背景技术：

风能设备是已知的并且通常具有一个，大多情况下多个转子叶片，所述转子叶片围绕转子轴线旋转并且在此划出转子面，即圆面。因为风能设备从风中产生能量，最终产生电流，所以风从而其风速对于风能设备是重要的。

在正常的、规范的运行中，风能设备在不检测风速的情况下也是能够胜任的，其方式是：所述风能设备例如与具有转子叶片的空气动力学的转子的转子转速相关地例如根据预设的转速/功率特性曲线来设定功率。

但是此时越来越多地存在如下状况，其中需要知悉风速或者知悉风速至少能够是有帮助的。这包括如下状况，其中风能设备例如必须下调其功率以支持供电网。对此能够存在不同的原因，例如如下需求：提供调节功率以进行供电网中的频率支持。也就是说，在这种情况下，风能设备将与其在当前的风力条件下所能够提供的功率或能量相比更小的功率或能量提供到供电网中。通常，在这些情况下中产生关于如下功率的补偿要求，所述功率本来可能馈入到供电网中但是由于所提到的降低而不允许馈入到电网中，所述供电网也能够简称为电网。为了能够正确地估计该补偿要求，令人感兴趣的是事实上总计可能存在多少风功率。除了计算补偿之外，在降低馈入功率以提供调节功率时，精确估计功率降低尤其也能够是允许风能设备或者风电场运行以提供这种服务的前提。

从前，作为计算由于风能设备的下调而引起的补偿的基础，为了简单起见，基于在尚未降低的情况下所馈入的馈电的最后的值。根据在其间必须进行降低的时间段的持续时间，这是一个不精确的或者甚至无用的基础。改进其的一个可行性在于，测量风速，例如通过常规存在的吊舱风速计，以便由此经由对风能设备的特性的了解计算本来能够馈入多少功率。在这种情况下成问题的是，这种风测量是相对不精确的。根据风速并且也根据风的阵风性，这种不精确性能够是显著的。此外，风速在转子叶片平面上也不是恒定的。风速的值也能够尤其随着高度而改变。

风速的这种偏差或者与等效风速的偏差，至少基本上是已知的，所述等效风速即尤其能够与相关的风能设备的相应的功率产生或可能的功率产生相关联。这些不精确性也对功率确定具有相应的作用，所述功率确定基于这些不精确的值。在一定限制内，能够可行的是，这些作用例如通过校正值例如校正因数来均衡。然而这些校正因此基于经验值从而可能受系统所决定仅有条件地平衡风速检测的不充分性。

结果是，由此仍然困难的是，以好的精度确定如下可产生的功率，所述功率可能在不降低所述设备的运行时产生。尤其在强烈下调时，这种功率确定是相当不精确的，但是可能恰好在该处尤其精确地需要功率确定，因为要能够计算由于强烈的下调而引起的相应高的补偿。

德国专利商标局在本申请的优先权申请中检索了下述现有技术：US 2011/0204635 A1。

技术实现要素：

本发明由此基于下述目的，针对上述问题中的至少一个。特别地，实现如下解决方案：尽可能精确地，尤其与在现有技术中所已知的相比更精确地确定可能的、可产生的功率。至少相对于迄今为止所已知的解决方案提出一种替选的解决方案。

根据本发明，提出一种根据权利要求1所述的方法。

所述方法涉及确定风能设备的转子叶片平面的等效风速，所述风能设备具有转子，所述转子具有叶片角可调节的转子叶片。也能够称为转子平面的转子叶片平面是如下平面，所述平面由转子叶片在风能设备运行时划出。在这种情况下确定如下风速，所述风速对应于风均匀地并且基本上垂直地作用到整个转子叶片平面上时的风速。其在此也称为转子叶片平面的等效风速。

为此在第一步骤中确定在风能设备中电的可用的内部功率。这是瞬时功率，所述瞬时功率在相应的时刻提供作为电功率，尤其在直流电压中间电路中。该在风能设备中电的可用的内部功率在此根据所检测到的电功率和所检测到的转子转速来确定，所述在风能设备中电的可用的内部功率接下来也简称内部功率或者可用的内部功率。就此而言，所检测到的电功率也不直接作为在风能设备中电的可用的内部功率来使用，而是根据所检测的电功率并且在进一步考虑所检测到的转子转速的条件下确定可用的内部功率。

至少作为简化的图解说明，能够假设：在理想的静止状态中，可用的内部功率对应于所检测的电功率。如果存在全转换器设计方案，那么尤其优选所检测的电功率对应于馈入到逆变器的直流中间电路中的电功率。并且，在这种情况下，可用的内部功率关于直流电压中间电路对应于可用的电功率。在理想假设的静止状态中，因此尤其在转子的转速恒定时，这两种功率能够对应。实际上，这种理想化的状态在实践中从不存在，最多能够偶尔简化地假设。但是，在现实中，风速波动但是基本上不中断，并且实际上可用的功率，即可用的内部功率也相应波动但是基本上不中断。这能够经由转速来考虑，并且相应地提出，可用的内部功率根据所检测的电功率和检测的转子转速来确定。纯粹为了小心起见应指出的是，在装有传动装置的风能设备的情况下，能够将空气动力学的转子的转速相应地换算为发电机的转子的转速。使用这两个转速中的哪一个，随后是参数化的问题。在使用现代的无传动装置的风能设备的情况下，能够省去这些考虑。

无论如何随后根据这种所确定的可用的内部功率并且根据所检测的转速确定等效风速。为了这样确定等效风速，由此考虑刚才所确定的可用的内部功率和检测的转速。由此，尤其将转速直接列入这种对等效风速的考虑中，并且所检测的转速的这种相关性通过如下方式不涉及间接的相关性：内部功率已经根据所检测的转速来确定。也就是说，所检测的转速对于确定等效风速而言被再次考虑。

优选地，为此也考虑风能设备的发电机的发电机损耗。特别地，将这种发电机损耗与确定的可用的内部功率相加。该总和由此对应于发电机输入功率。换言之，在这种情况下，在确定可用的内部功率时，确定减去发电机损耗，即减去发电机损耗功率的发电机输入功率。这些发电机损耗此时在计算上相加，以便在计算上获得该发电机输入功率。除了发电机损耗外，也能够一起考虑其它损耗，所述其它损耗在将空气动力学的能量转换为电能时，尤其在转换为呈在此处所使用的测量点处所存在的形式的电能时出现。这例如能够是包括传动装置的机械传动链的摩擦损耗以及在将交变电流转换为直流时的电损耗。然而，在现代的无传动装置的风能设备中，损耗中的后者通常是可忽略的，使得此外简化地讨论发电机损耗。

此外或者替选地，在用于确定等效风速的该步骤中，考虑转子叶片的至少一个叶片角。在简单的、一般性的情况中，同步地调节转子叶片通常就足够了，使得转子的所有转子叶片具有相同的叶片角。这一个叶片角于是能够被使用。如果多个转子叶片的叶片角单独地被调节，那么能够进行如下考虑：分别使用所有叶片角的算术平均值。

在用于确定等效风速的该步骤中，能够将对发电机输入功率的考虑，即由可用的内部功率和发电机损耗构成的总和、转子转速和叶片角用于确定等效风速。尤其叶片角也影响已从风中提取或者可从风中提取的功率的量从而列入到对等效风速的确定中。至少根据一个实施方式，对于确定可用的内部功率，叶片角是不重要的。

根据一个实施方式提出，使用功率观测器来确定可用的内部功率，并且此外或者替选地使用风观测器来确定等效风速。该功率观测器和该风观测器由此是调节技术意义下的状态观测器。所述功率观测器和风观测器也能够同义地称为用于观测或估计功率的状态观测器或用于观测或估计风速的状态观测器。

据此，尤其当这两个状态观测器组合时，功率观测器观测可用的内部功率并且将所述内部功率作为输入变量或者经由与损耗功率的相加作为调整后的输入变量输出给风观测器，所述风观测器最后将等效风速作为输出变量输出。

优选地，风观测器具有三个输入变量，即所确定的可用的内部功率加上所检测或确定的发电机损耗、所检测的转速和至少一个叶片角。作为输出变量，对于风观测器而言除了等效风速外还输出可用功率，所述可用功率即在最佳的叶片角和最佳的叶尖速比时在所检测的等效风速情况下必定产生的可用功率。最后，也根据一个实施方式提出，作为第三输入变量输出当前的叶尖速比。风观测器由此能够基于三个输入变量确定这三个输出变量。尤其叶尖速比在此能够是用于检查结果的可信度的附加信息。

尤其能够通过使用所提出的状态观测器，以简单并且尤其也无延迟或者少延迟的方式方法以高的精度考虑分别作为基础的系统。

相应的状态观测器能够在知悉所提到的输入和输出变量的条件下经由原则上已知的调节技术方面的方法来建立和确定尺寸。作为本发明的一部分的一个重要的方面在于，尤其通过第一状态观测器根据所检测的电功率和所检测的转速确定可用的内部功率并且连同所检测的转速形成用于第二状态观测器的输入变量，所述第二状态观测器于是尤其从中确定等效风速的所期望的大小。对此优选提出使用状态观测器，但是不一定是分别从所提到的输入变量中确定所提到的输出变量的唯一的解决方案。

根据一个实施方式提出，风能设备借助于具有直流电压中间电路的逆变器向供电网馈电，并且可用的内部功率表示在直流电压中间电路处可用的功率。也就是说，在此尤其基于全转换器设计方案，所述全转换器设计方案具有这种直流电压中间电路。优选地，用于确定可用的内部功率的输入变量是所测量的转子转速和馈入到直流电压中间电路中的电功率。就此而言使用功率观测器，这两个变量形成该功率观测器的输入变量。馈入到直流电压中间电路中的电功率由此是如下输入变量，所述输入变量仅与所测量的转速一起用于确定可用的内部功率。特别地，所测量的馈入的电功率由此基本上这样改善，使得所述电功率随后更好地适合于最后确定等效风速。

根据一个实施方式，提出一种方法，所述方法的特征在于，用于确定可用的内部功率的一个或所述功率观测器通过如下结构来限定：

其中

-J表示转子和发电机的共同的惯性力矩，

-ω是发电机的转速，

-kω和kT是用于影响观测器的动力学的参数，

-Tel表示电扭矩并且作为馈入到电的中间储存器或者所述电的中间储存器中的功率PDC和转速ω的商来计算，以及

-Tmech表示转子和发电机的机械扭矩，其中所观测的变量以^符号来表示，时间上的导数以点表示，并且待确定的可用功率作为所观测的转速和所观测的机械扭矩的积来计算。

这由此是对状态观测器，即功率观测器的具体说明，借助于所述功率观测器能够确定可用的内部功率从而也尤其好地适合于其它应用，以便确定等效风速。可知悉，所述具体提出的功率观测器以简单的方式方法考虑风能设备的相应的动力学。发电机的转速ω在这种情况下能够对应于转子的转速，如果不存在传动装置的话。

根据另一实施方式提出，根据所确定的等效风速确定总共可从风中提取的并且用于馈入到供电网中的可用功率。在此利用了如下事实：根据所描述的实施方式所确定的等效风速由于其确定方式而具有相对高的精度从而能够用作为确定如下功率的基础，所述功率是在所述设备不受制于节流时可能馈入到供电网中的功率。相应地，这优选在风能设备以节流运行的方式运行时实施。然而，当风能设备不被节流时，优选也能够这样计算可馈入的功率。结果于是必定与实际上当前馈入的功率一致。如果产生普遍的差异，即例如可识别的系统偏差，那么这可能用于所述方法的补偿。这也适用于所确定的等效风速。如已经描述的那样，通过吊舱风速计所测量的风速遭受短期的波动，并且在短时间的平均中不代表风能设备的所产生的功率。特别地，如果风能设备是不节流的，那么所计算的等效风速允许与所测量的风速比较，基于此例如能够创建校正特性曲线。

根据本发明也提出一种风能设备，所述风能设备具有转子，所述转子具有叶片角可调节的、划出转子叶片平面的转子叶片。风能设备配置用于，检测转子叶片平面的等效风速，并且为此所述风能设备具有功率观测机构和风观测机构。功率观测机构配置用于根据所检测的电功率并且根据所检测的转子转速确定在风能设备中电的可用的内部功率。所检测的电功率和所检测的转子转速由此尤其是功率观测机构的输入变量。风观测机构配置用于，根据所确定的内部功率和所检测的转速确定等效风速。特别地，由此所确定的内部功率和所检测的转速分别形成用于风观测机构的输入变量。在此，尤其能够将所确定的内部功率列入为调整后的变量，也就是说，其中首先还能加上发电机损耗。替选地，风观测机构能够自动地预设调整，如加上发电机损耗。

优选地，在风能设备中执行如结合至少一个在上文中所描述的实施方式所阐述的方法。

根据本发明，也提出一种风电场，所述风电场具有至少两个根据在上文中所描述的实施方式中的至少一个所述的风能设备。风电场就此而言是多个风能设备的组合，所述风能设备一起经由共同的电网连接点馈入供电网中。风电场的特别的优点在于，所述风电场通过多个风能设备共同的功率馈入也能够提供高的调节功率。相应地，风电场例如能够通过供电网的运营商的规定或者根据供电网的状态相对多地提供调节功率。相应地，于是也在实际上馈入的功率和可用功率之间产生大的功率差。因此，在此尤其重要的是，尽可能精确地确定可用功率或可用功率和所馈入的功率之间的差。所提出的对等效风速的确定能够为此提供良好的基础。

特别地，通过将通过风能设备分别单独计算的值相加和来计算总共待馈入到供电网中的功率。

附图说明

此时，在下文中示例性地根据实施例参照附图详细阐述本发明。

图1示意性地示出风能设备的立体视图，

图2示出框图用于阐述算法，确定等效风速以所述算法为基础，

图3示出用于将根据本发明的一个实施方式的结果与迄今为止的方法途径相比较的图表，

图4示意性地示出风电场。

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上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时通过风进入旋转运动从而驱动吊舱104中的发电机。

图4示出风电场112，所述风电场具有示例性三个风能设备100，所述风能设备能够是相同的或者不同的。三个风能设备100由此代表风电场112的基本上任意数量的风能设备。风能设备100经由场电网114提供其功率，即尤其所产生的电流。在此，将各个风能设备100的分别产生的电流或功率相加并且大多设有变压器116，所述变压器将场中的电压进行升压变换，以便随后在馈入点118处馈入到供电网120中，所述馈入点通常也称为PCC。图4仅是风电场112的简化的视图，所述视图例如未示出控制装置，虽然控制装置自然是存在的。场电网114例如也能够不同地设计，其中例如在每个风能设备100的输出端上也存在变压器，以仅列举一个不同的实施例。

本发明涉及一种用于确定风能设备(WEA)的转子叶片平面中的等效风速的方法或相应的设备。特别地，根据一个实施方式，这利用关于电功率、转子的旋转速度和叶片角的测量数据来进行。

接下来将描述的实施方式基于使用两个观测器(就调节技术而言)，所述观测器在相互作用中实现在动态上尽可能精确地确定可用的最大功率和有效的风速。

所提出的解决方案的主要应用目的是计算可用功率，即如下功率，所述功率是WEA不通过外部的预定值降低其功率或限制其功率时所能够产生的功率。这尤其能够用于提供负的(初级的/次级的)调节功率，也就是说，尤其用于在能量系统中存在过频时下调WEA。恰好对于计算可用功率，相应的方法的精确性能够起决定性作用。

在非功率降低的运行中，所述运行也能够称为自由行驶，风能设备产生与当前的风速相关的功率，所述功率针对每个风能设备类型通过测量借助于风速-功率-特性曲线精确地确定。也就是说，在准确知悉风速时，能够基于该特性曲线确定可用功率。

在每个运行状态中确定可用功率的一个可行性与此相应地通过借助于通常安装在风能设备的吊舱上的风速计测量风速产生。这种测量，虽然可借助于当今的超声波风速计非常精确地执行，但是针对所提到的应用仅是有条件地可用的。一方面，风速计仅在通过转子叶片限定的平面的中心测量风速。叶片尖端处的风速无法被测量，所述叶片尖端在当前的风能设备中距离吊舱50米或者更多米。除此之外，由于风速计的位置在转子叶片后方，测量会受涡流和遮蔽的影响。吊舱风速计的测量值因此仅在10分钟和更长的时间段上取平均时才具有与WEA的实际的功率值的良好关联。所述测量值因此不适合于确定当前的可用功率，如也从参考文献[1]中所知悉的那样。

第二可行性在于根据当前的风能设备功率(例如风能设备借助于全转换器馈入到直流电流中间电路中的功率)和风能设备的叶片角计算可用功率。如果风能设备的功率被限制到低于可用功率，那么必须降低机械功率的输送。这能够通过提高叶片角来进行。在提高叶片角α时空气动力学的功率系数cp(λ,α)的降低在此通常与叶尖速比λ相关。

此时如果风能设备通过已知的功率调节或转速调节持续地运行并且即使在风速变化时也在这种叶尖速比中，尤其在最佳的叶尖速比λopt中运行，那么通过相对于确定的最佳的叶片角αopt提高叶片角，产生固定的功率降低。如果针对每个叶片角确定了降低功率的效果，那么能从当前的WEA功率Pist和功率降低系数k(α)＝1-cp(λopt,α)/cp(λopt,αopt)中根据下述式计算可用功率：

然而，恒定的叶尖速比无法在所有运行条件下保持。特别地，在强烈下调时，会引起与最佳值的偏差。由于功率降低系数和所估计的可用功率之间的反比关系，在此，尤其在强烈下调时所假设的功率降低系数中的小的偏差就已经能够导致在计算可用功率时的错误。

为了进行解决，此时提出一种算法，所述算法能够根据风速尽可能可靠地估计可用功率从而尽可能可靠地估计WEA的所有运行点处的可用功率。

为此，根据一个实施方式提出在图2中所示出的方法。图2由此示出所提出的算法的框图1从而示出所提出的用于确定等效风速VWind的方法的框图1。

其中使用两个观测器，所述观测器基于确定的测量变量观测或估计其它不可测量的值。

在图2中示出的功率观测器2从馈入到直流电压中间电路中的并且所测量的功率PDC和转子转速ω中确定可用的内部功率作为在直流电压中间电路处可用的功率Pava,DC。

由此，通过测量，检测直流电流中间电路(PDC)中的变量，即转速(ω)和功率。只要不存在传动装置，发电机的转速(ω)就对应于转子的转速。由此借助于状态观测器2确定或计算可用的内部功率Pava,DC，所述可用的内部功率也能够称为关于中间电路的可用的空气动力学的功率也就是说，其对应于空气动力学的功率减去发电机损耗以及可能减去另外的损耗如摩擦或者电流转换损耗。

功率观测器能够基于下述简化的系统描述，所述系统描述也能够称为转动的单质量系统的加速度方程：

在该式中，J表示WEA的转动质量的惯性力矩，ω表示WEA的转速，Tmech和Pmech表示在轴上通过风产生的扭矩或功率，Tel/Pel表示发电机的功率或电-机械-扭矩。在此，借助于点再次可识别变量关于时间的导数。如果在一个时间段上提取超过机械功率的发电机功率，那么跟随着WEA的制动。

对于功率观测器2并且以上述转动的单质量系统的加速度方程为出发点，能够借助状态变量，即转速(ω)和机械扭矩(Tmech)建立风能设备的下述状态空间模型：

通过此处所使用的变量无法测量机械扭矩Tmech从而应当经由状态观测器从测量数据中计算。因为除此之外转速信号常常仅以低的分辨率和低的采样率测量，所以即使对于该值也提出状态观测。适当的观测器结构可如下表示，其中关于其它阐述参见参考文献[4]：

其中所观测的变量相对于所测量的输入变量，即转速ω和电扭矩以^表示。PDC是馈入到直流电压中间电路中的电功率。这两个参数kω和kT影响动态特性并且在时间离散地执行时也影响状态观测器的稳定性并且必须在考虑这些方面的条件下选择。

空气动力学的功率的计算经由转速和扭矩的乘积实现。这因此对应于确定的、可用的内部功率Pava,DC。

用于确定可用的内部功率Pava,DC的输入变量是所测量的馈入到直流电流中间电路中的电功率PDC以及所测量的风能设备转速ω。输出值于是是关于直流电流中间电路的可用的电功率Pava,DC。该观测器是重要的，因为风能设备在确定的情况下不位于静态的运行点处而是在正常运行中几乎持续地加速或者制动，并且例如为了进行电网支持能够偏离于正常的转速-功率-特性曲线，在所述静态的运行点处，功率PDC对应于当前可用的风功率，在所述电网支持中从转动的动能中提取能量。

将发电机损耗PVGen与关于直流电流中间电路可用的内部功率Pava,DC相加。这些损耗要么能够通过运行时的测量确定要么从用于相应的发电机工作点的特性曲线中提取(必要时在考虑温度测量值的条件下)。附加地，只要是相关的，也能够加上摩擦和电流转换损耗。这种相加的结果是风能设备的可用的发电机输入功率，简称Paero。对于这种计算而言，应当使用针对最大可用的输入功率所预期的发电机损耗而不是当前的发电机损耗。

该功率以及所测量的风能设备转速ω和当前的叶片角α用作为第二观测器，即风观测器4的输入值。该风观测器观测风速VWind，所述风速在当前的叶片角α中产生可用功率。原则上，在这种情况下其是如下方程的解v：

其中Paero通过功率观测器2假设为是已知的，ρ是空气密度，A表示转子面积并且Cp(λ,α)表示与叶尖速比λ和叶片角α相关的功率系数。在这种情况下，其是非线性方程，风速v直接地并且间接地经由叶尖速比列入所述方程中(ω又表示以rad/s为单位的风能设备转速而R表示空气动力学的转子的半径)。关于其的不同的解从参考文献[2]中已知。

由于所述方程的非线性特性，用于确定风速作为风观测器的基础的非线性的方法已证实是有利的并且为此参见参考文献[2,3]，所述方法在术语浸入和不变下列举。

然而，相比于参考文献[2]和[3]，在此处所提出的解决方案中，不使用所测量的风能设备电功率作为用于风观测器4的输入变量，而是使用经由功率观测器2所确定或计算的可用的内部功率。这对于在风能设备瞬态运行时(也就是说，在强烈地加速或制动时，例如用于电网支持，其中从转动的动能中提取能量)风观测器4的正确的、至少所期望的工作方式是重要的。

优选地，风观测器4也输出风能设备的可用功率Pava(αopt,λopt)。这是如下功率，如果设定最佳的叶片角αopt和最佳的叶尖速比λopt，那么所述功率能够在通过风观测器4所确定的等效风速VWind中通过风能设备产生。这例如可基于等效风速VWind并且在所提及的条件中(最佳的叶片角αopt和最佳的叶尖速比λopt)考虑风和所产生的功率之间的已知的关系的条件下来计算。为此例如能够保存相应的特性曲线。附加地提出，输出当前的叶尖速比λ，所述叶尖速比可从风速、转速和转子直径中计算。

所提出的功率观测器和风观测器的结果在图3中与可用功率的传统计算相比较。在图3中所示出的结果的基础是在Enercon E-70E4类型的风能设备处进行测量，所述风能设备在所考察的测量窗的第一个350秒中以恒定的1°的叶片角运行，并且随后将叶片角设定为17.5°。风速VW和馈入中间电路中的电功率PDC已经被测量。所估计的风速VWind在第二图表中示出，并且所估计的可用的内部功率Pava,DC在第三图表中绘入，所述可用的内部功率已经基于风观测器4确定。为了进行比较，根据传统方法所检测的可用功率Pava,conv此外在第三图表中示出。

所提出的解决方案能够用于借助于风能应用正的和负的调节能量，即初级的调节能量和次级的调节能量。在此，改进的精确性尤其能够是重要的。所述解决方案能够用作为第二吊舱风速计的替代。

通过正确地确定风速，至少以高的精确性进行确定，在许多运行状态中可计算风能设备的最大可用的功率。这允许正确地，至少相对精确地确定例如所提供的负的调节功率，其中风能设备或者风电场必须以确定的值将其功率降低到可用功率之下。此外，对第二风测量仪的要求，例如针对满足安全相关的要求，可能经由软件而不是硬件来实现。

所提出的解决方案至少是改进预先已知的解决方案。确定风速的核心问题在于对空气动力学的功率方程求解：

其中ρ表示空气密度，A表示转子面积，所述转子面积能够与转子叶片面积同义，v表示风速，并且Cp(λ,α)表示作为叶尖速比λ和叶片角α的函数的功率系数。虽然该方程严格来说表示发电机转子处的转子的机械功率，但是其仍可近似从所测量的电功率和所估计的或计算的发电机损耗中确定从而能够假设为是已知的，但是作为带有噪音的变量。在求解该方程的未知数v时的困难此时在于直接地(v³)和经由叶尖速比(ω又表示以rad/s为单位的风能设备转速)双重地将变量输入方程中。

根据参考文献[2]的数值上有效并且同时精确的解能够经由观测器根据原理“浸入和不变”来实现，如在参考文献[3]中所示出的那样。为此执行下述状态方程系统：

其中J表示风能设备转子的惯性力矩，Pmech表示通过功率观测器估计的发电机的可用的DC功率加上发电机损耗，γ>0表示滤波器的可调节的适配参数，ρ表示空气压，A表示转子面积并且r表示WEA的转子半径。变量关于时间的导数以点表征。

通过该状态方程系统的数值解，计算风观测器的输出值。在此，在等式(3)中所计算的变量是所估计的风速VWind。所估计的叶尖速比λ于是从所测量的转速和所估计的风速中根据上述方程产生。可用功率根据方程(1)的解以及在考虑在风能设备中在所估计的最佳的工作点上累积的损耗以及可能的技术上的或者操作上的限制的条件下产生，所述限制能够引起该可用功率受限。

在此所描述的风观测器相对于在参考文献[3]中所描述的解决方案的决定性的变化在于，使用通过独立的观测器所估计的可用功率来计算(方程(2))。在参考文献[3]中替代于此在假设风能设备在部分负荷范围中始终在其最佳的运行点附近运行的条件下，直接使用所测量的电功率或电扭矩。然而，在实践中由于在风速变化时的加速和制动过程，并且部分地也期望基于确定的要求如在从转动的动能中获得能量时的电网频率支持，在当前的电功率和可在最佳的运行点中可达到的功率或在风中可用的功率之间存在显著的偏差，使得提出在经由风观测器求解空气动力学的功率方程之前单独确定可用功率以准确地确定在所有运行点中的风速。

相对于在参考文献[3]中所示出的解决方案的另一不同在于在确定功率系数Cp(λ,α)时考虑当前的叶片角α。这对于使用风观测器来确定最大可能的功率而言有决定性的意义，因为在风能设备的下调的运行中，叶片角通常大于最佳的叶片角。由此，为了确定最大可用的功率，通过风观测器估计的风速以及针对该风速以及最佳的叶片角αopt以及最佳的叶尖速比λopt的功率系数即Cp(λopt,αopt)的计算，以及通过估计的风速和最佳的Cp(λopt,αopt)求解空气动力学的功率方程(1)是有利的。

由此在强烈地进行下调时实现确定可用功率的精确性的改进。

所提出的解决方案的特别的优点能够在于，

-确定尽可能所有工作点处的可用功率，其中风能设备在所述工作点处运行，

-考虑如下运行状态，在所述运行状态上，风能设备偏离其静态的工作点，尤其在提供电网服务时，

-在没有附加的传感器的情况下确定转子平面中的等效风速，并且此外

-在相应执行时高精确性地确定风能设备的转速和加速度。

参考文献：

[1]K.E.Johnson,L.Y.Pao,M.J.Balas,L.J.Fingersh:Control of Variable-Speed Wind Turbines-Standard and Adaptive Techniques for Maximizing Energy Capture.IEEE Control Systems Magazine,Juni 2006,S.70-81.

[2]M.N.Soltani,T.Knudsen,M.Svenstrup,R.Wisniewski,P.Brath,R.Ortega,K.Johnson:Estimation of Rotor Effective Wind Speed:A Comparison.IEEE Transactions on Control Systems Technology,21(4),Juli 2013,S.1155-1167.

[3]R.Ortega,F.Macilla-David,F.Jaramillo:A Globally Convergent Wind Speed Estimator for Windmill Systems.In Proc.2011 50^th IEEE Conference on Decision and Control,Orlando,FL,USA,Dez.2011,S.6079-6084.

[4]C.M.Verrelli,A.Savoia,M.Mengoni,R.Marino,P.Tomei,L.Zarri:On-line Identification of Winding Resistances and Load Torque in Induction Machines.IEEE Transactions on Control Systems Technology,Bd.22(4),Juli 2014.