用于运行风能设备的方法、调节器结构、风能设备和风电场与流程

1.本发明涉及一种用于运行风能设备的方法、一种调节器结构、一种风能设备和一种风电场。


背景技术：

2.风能设备是已知的。为了运行这样的设备提出不同的设计概念或调节策略，其中之一是所谓的速度调节，其尤其旨在通过调节风能设备的转子的转速来实现优化的功率，而在此不产生过高的负荷或转速。
3.已知的是，塔振动对于风能设备的结构上的完整性和负荷来说是不期望的甚至是危险的，使得已经开发了用于衰减塔振动的有源系统。塔振动导致风能设备所“经历”的风速的失真。当塔向前振动时，相对风速以塔顶速度的分量提高(反之亦然)。
4.因此，塔向前的振动导致气动的转子功率提高(更多风)，从而导致转速提高。因此，转速调节会使转子叶片稍微向后变桨，然而这会减轻塔的负荷从而加强塔的振动。结合塔顶速度，也能够提及(可测量的)干扰变量。已知的转速调节受到所产生的塔振动的干扰，使得转速调节本身就是(进一步)激励塔振动的源。
5.de3308564a1涉及风能设备的塔的初级弯曲模式的衰减，其中通过叶片调节装置提供叶片设定角参考信号以经由叶片调节设备影响涡轮叶片的设定角来将功率保持恒定。这通过将叶片设定角参考信号生成作为调节扭矩/功率的叶片设定角参考速度信号与通过对叶片设定角参考信号进行滤波而生成的经估计的加速度信号之和的积分来实现。因此，该文献描述了一种能够如何计算塔运动的方法途径，而其不会对转速调节产生影响。
6.ep2115299b1涉及利用估计方法在风能设备中对塔共振运动的衰减，其中经估计的值用于提供集体的桨距角的校正。
7.ep2063110b1涉及一种用于衰减风能设备的塔振动的方法，所述风能设备包括转子叶片、变桨控制装置和用于设定转子叶片的桨距角的致动器系统，其中所述方法具有以下步骤：提供转子速度的速度参考值；提供表示转子速度的转子速度值；并且建立修改值，所述修改值表示为了考虑塔振动待在转子速度值上实施的校正值；使用修改值来改变速度参考值，以便获得改变的速度参考值；至少基于改变的速度参考值和转子速度值之间的差来确定桨距参考值，所述桨距参考值对应于待通过致动器系统设定的桨距角；根据桨距参考值控制转子叶片的桨距角。
8.据此ep2 063 110 b1从塔的所导出的运动和位置中估计塔运动并且由此确定转子速度或转速的参考值的校正。然而，为了将塔振动的影响与转速调节解耦，放大器25的放大因子，参见该文件的图4，必须被优化，这是重要的并且也没有被该文献描述。因此尽管该方法有源地用于衰减塔振动，但其根本无法避免已经因转速调节所引起的塔振动，因为未实现该干扰变量与转速调节本身的解耦。
9.德国专利商标局在本技术的优先权申请中检索了以下现有技术：de102017105165a1,us2009/0250932a1,us2010/0063769a1,us2011/0316277a1,us2012/
0056427a1,us2014/0297052a1,us2015/0354532a1。


技术实现要素：

10.在此背景下，本发明的一个目的是，如下改进已知的用于运行风能设备的方法，尤其转速调节，以及相关的调节器结构和风能设备：避免，至少减少因转速调节引起的塔振动。本发明的目的同样是避免风能设备的塔对转速调节的不必要干扰，尤其减少不必要的变桨运动。
11.根据第一方面，所述目的根据本发明通过一种用于运行风能设备的方法来实现，其中所述风能设备具有塔和气动的转子，所述塔具有作用于所述塔的外部塔负荷，所述转子具有桨距角可调节的转子叶片，所述桨距角产生转子推力。所述方法包括以下步骤：a)确定风能设备的塔的塔顶和/或吊舱的速度，b)确定在风能设备区域中的绝对风速，c)基于绝对风速确定转子上的纯风功率；d)基于塔顶和/或吊舱的速度确定转子上的视在风功率；e)基于视在风功率和纯风功率的差确定气动的塔振动功率；f)利用气动的塔振动功率调节风能设备。
12.通过根据视在风功率和纯风功率确定气动的塔振动功率的方式，能够更精确和更快速地调节风能设备。尤其地，由此对于调节而言能够将干扰变量解耦，这因此引起：对风能设备的调节，尤其转速调节，完全不会激发塔振动。据此，根据本发明，对塔振动的通常必要的衰减已经不再重要，因为塔振动完全不被激发。
13.塔顶或吊舱的速度能够以已知的、适合的方式估计、确定或测量。因此，例如为此能够将加速度传感器集成在吊舱或塔顶中，或者也能够将应变计设置在塔的任何位置上。
14.塔顶或吊舱速度优选包括在吊舱的轴向方向或纵向方向上的速度分量。
15.绝对风速优选根据通过适合的、已知的方式估计、确定或测量的视在风速来确定。为此，例如能够使用风速计或风估计器，其根据风能设备的运行参数，尤其负荷和/或功率来估计风。
16.因此获得绝对风速，因为视在风速通过如下速度来补偿，参考系统、尤其风能设备的塔顶以所述速度运动。
17.然后基于塔顶和/或吊舱的速度以及绝对风速确定转子上的视在风功率。
18.在另一方面中，所述目的根据本发明通过一种用于运行风能设备的方法来实现，其中风能设备具有塔和气动的转子，所述塔具有作用于所述塔的外部塔负荷，所述转子具有桨距角可调节的转子叶片，所述桨距角产生转子推力。所述方法包括以下步骤：a)确定风能设备的塔的塔顶和/或吊舱的速度，b)确定在风能设备的区域中的绝对风速，c)基于绝对风速确定转子上的纯风力矩；d)基于塔顶的速度确定转子上的视在风力矩；e)基于视在风力矩和纯风力矩的差确定气动的塔振动力矩；和f)利用气动的塔振动力矩调节风能设备。
19.所述方法和与其相关的优点在很大程度上类似于关于塔振动功率的第一方面，其中使用相应的力矩而不是功率。在基本上将转速考虑在内的情况下力矩和功率之间的换算对于本领域技术人员是已知的。在下文中，参照功率或力矩描述的所有设计方案和优点据此也应类似地应用于对应的力矩或功率。
20.在一个优选的设计方案中，风能设备的调节包括校正转子加速度，其中所述方法还具有：g)利用气动的塔振动功率或气动的塔振动力矩来校正转子加速度。
21.因此在该设计方案中，据此通过根据本发明的用于调节风能设备的方法相应地实施已知的转速调节，其校正转子加速度作为校正。
22.在一个优选的设计方案中，风能设备的调节包括通过气动的塔振动功率或气动的塔振动力矩校正转子的功率并且利用经校正的功率调节风能设备。
23.在一个优选的设计方案中，调节风能设备的步骤借助于风能设备的功率调节、扭矩调节和/或转速调节进行，尤其通过叶片角调节和/或预设发电机力矩进行。
24.在一个优选的设计方案中，绝对风速不受塔顶的速度的影响。在这种情况下，例如通过测量对绝对风速的确定，在塔顶速度无贡献的情况下就已经能够直接进行，或者能够后续地以塔顶的速度来校正。
25.在一个优选的设计方案中，绝对风速对应于在风能设备的区域中确定的风速减去风能设备的塔顶和/或吊舱的速度。在风能设备的区域中确定的风速在这种情况下能够以已知方式测量、估计或导出，或者作为它们的组合来确定。
26.在一个优选的设计方案中，功率包括转子的加速功率或转子的整个气动的功率，或者力矩包括转子的加速力矩或转子的整个气动的力矩。加速功率或加速力矩能够通过适合的、已知的方法估计、确定和/或测量。
27.在一个优选的设计方案中，转子的功率或力矩以乘以一个因子的气动的塔振动功率或塔振动力矩来校正，其中所述乘数因子在0.5和5之间，优选在1和4之间，其中包括边界。
28.在乘数因子为1时实现最佳解耦的干扰变量；在值大于1时，有源地衰减塔振动。
29.在另一方面中，所述目的通过一种用于风能设备的调节器结构来实现，所述风能设备具有气动的转子，所述气动的转子具有至少一个转子叶片。调节器结构构成用于调节风能设备的转子的转速，其中调节器结构构成用于获得输入信号，所述输入信号包括转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度的函数，其中调节器结构构成用于根据本发明的方法运行风能设备。
30.在一个优选的设计方案中，调节器结构构成为级联调节并且具有外部的调节回路和内部的调节回路，其中内部的调节回路获得输入信号。
31.级联调节具有如下优点：所述级联调节实现比传统的转速调节快得多的调节，因为转速是相对迟缓的调节变量。通过给内部的调节回路设置实现更快的调节的控制变量，作用到风能设备上的负荷能够减小。
32.在一个优选的设计方案中，外部的调节回路的调节变量被设置为内部的调节回路的控制变量并且外部的调节回路构成用于预设调节变量的极限，尤其转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度函数的极限。
33.通过该设计方案，可以限制最大的转子加速度从而限制起作用的负荷。
34.在一个优选的设计方案中，内部的调节回路的输入信号包括转子加速功率或转子加速力矩，其中转子加速功率或转子加速力矩描述由风能设备的转子吸收的功率或力矩的一部分，所述一部分被转换为转子的加速度，其中转子加速功率或转子加速力矩借助于根据本发明的方法校正。
35.在一个优选的设计方案中，内部的调节回路的输入信号包括由转子吸收的气动的功率，其中由转子吸收的气动的功率是转子加速功率和由风能设备的另一部件吸收的至少
一个功率的总和，尤其是风能设备的发电机的发电机功率，其中转子加速功率描述由风能设备的转子吸收的功率中的一部分，所述一部分被转换成转子的加速度。
36.在一个优选的设计方案中，外部的调节回路将转子的实际转速与转子的期望转速的偏差确定为调节偏差。
37.在一个优选的设计方案中，外部的调节回路产生功率或力矩的期望值作为调整变量，其中功率的期望值的上限和下限尤其是不对称的，其中所述功率包括转子加速功率，其中转子加速功率被限制到风能设备的额定功率，尤其被限制到风能设备的额定功率的至多40％，优选至多30％并且尤其优选至多20％。
38.在一个优选的设计方案中，功率包括气动的转子功率，其中气动的转子功率被限制为风能设备额定功率的两倍，尤其风能设备的额定功率的至多120％。
39.在一个优选的设计方案中，内部的调节回路产生转子的至少一个转子叶片的桨距角或桨距角的变化率作为调整变量，其中桨距角变化率的期望值被限制到在
‑
20
°
/s和+20
°
/s之间的值，优选在
‑
10
°
/s和+10
°
/s之间，尤其是在
‑5°
/s和+5
°
/s之间的值。
40.在一个优选的设计方案中，外部的调节回路和/或内部的调节回路具有p调节器和/或i调节器。调节器的选择与调整变量的选择密切相关。在以变桨率作为调整变量的调节器结构中，优选使用p调节器，在以桨距角作为调整变量的调节器结构中，优选使用i调节器。
41.在一个优选的设计方案中，调节器结构还包括计算部件，所述计算部件设计用于根据风能设备的所测量的实际转速的变化利用转子惯量来确定转子加速功率。
42.在一个优选的设计方案中，调节器结构还包括用于对至少一个转子叶片的桨距角进行预控的预控装置，所述预控装置设计用于与内部的调节回路并行地预设桨距角和/或桨距角的变化率。
43.对于气动的功率的期望值，为此优选确定期望桨距角，所述期望桨距角与实际桨距角一起计算成预控变桨率。这两个变桨率，即转速调节器的变桨率和预控装置的变桨率，并行运行并叠加，其中该实施于是是风能设备的设计方案的问题。
44.所述目的根据本发明还通过具有根据本发明的调节器结构的风能设备来实现。
45.所述目的根据本发明还通过具有多个根据本发明的风能设备的风电场来实现。
46.根据本发明的方法的优选的设计方案和根据本发明的调节器结构能够任意地组合和交换以实现相应与其相关的优点，并且同样能够用于设计根据本发明的风能设备和根据本发明的风电场。
附图说明
47.下面参考附图描述其他优点和示例性的实施方案。在此示出：
48.图1示意性地并且示例性地示出风能设备，
49.图2示意性地并且示例性地示出用于风能设备的转速调节器的调节器结构，
50.图3示意性地并且示例性地示出改进的调节器结构，
51.图4示意性地并且示例性地示出具有校正的调节器结构，
52.图5示意性地并且示例性地示出风估计器，并且
53.图6示意性地并且示例性地示出用于运行风能设备的方法的流程图。
具体实施方式
54.图1示出根据本发明的风能设备的示意图。风能设备100具有塔102和在塔102上的吊舱104。具有三个转子叶片108和导流罩110的气动的转子106设置在吊舱104上。气动的转子106在风能设备运行时通过风进入旋转运动从而也使直接或间接地与气动的转子106耦联的发电机的电动转子或转动件旋转。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部处的变桨马达来改变。
55.尤其地，塔102因气动的转子106产生的推力而进入振动。塔振动的主运动方向是到达的风的方向或吊舱104的方位角设定的方向。由于塔102的振动，无法忽略的负荷作用到塔102上。这些负荷对于塔102的设计至关重要。
56.用于运行风能设备的调节器结构是已知的。所谓的变桨控制的风能设备最为普遍，其中风能设备的转子的转子叶片能够围绕其纵轴线，即所谓的变桨轴线进行调节。通过改变桨距角来改变转子叶片的气动的功率，由此实现在达到额定风时功率被限制到额定功率。
57.为此已知的是，设置所谓的转速调节器，如在图2中示意性示出的那样，以便大致遵循期望转速n
soll
。转速调节器200构成用于尽可能将期望转速n
soll
调整为控制变量，其中由风能设备100测量的实际转速n
ist
被反馈并且借助于p调节器210和d调节器220将偏差转换成待设定的变桨率。变桨率以通过变桨率限制器230限制到期望变桨率240的方式来设定，期望变桨率然后用于运行风能设备100。
58.转速调节的质量直接影响风能设备重要部件例如塔和转子叶片的剖面负荷(schnittlast)。
59.图3示意性地并且示例性地示出用于风能设备100的改进的调节器结构300，如例如在图1中所示出的那样。调节器结构300构成为级联调节并且具有外部的调节回路310和内部的调节回路350。调节器结构300将风能设备中的转速调节到期望值n
soll
。为此，外部的调节回路310将实际转速n
ist
与待调节的期望转速n
soll
进行比较，并且借助于p调节器320的通过限制器330限制的信号产生转子加速功率p
beschleu_soll
的期望值340。
60.内部的调节回路350现在调节到转子加速功率p
beschleu
并且据此试图将风能设备100的转子叶片调整为，使得转子106尽可能少地加速或跟随转子加速功率p
beschleu_soll
的期望值340。为此，借助于计算单元380，例如根据转子转速随时间的变化dn
ist
/dt通过计算单元380确定实际加速功率p
beschleu
。加速功率p
beschleu_soll
的期望值340和所求取的实际值p
beschleu
之间的差值通过p调节器360转换成转子叶片108的待设定的变桨率或待设定的叶片角。通过限制器370限制待设定的变桨率或待设定的桨距角，所述桨距角于是作为期望值390传输给风能设备100的控制装置。
61.在该示例中，计算单元380使用在对于转子已知的惯性矩j、扭矩m和转速或由此导出的角速度ω之间的已知的物理关系，以便根据转速的变化计算实际加速功率p
beschleu
。
62.代替转子加速功率，如在实施例中所描述的，也可行的是，使用转子所吸收的全部气动的功率，也就是说，在附加地考虑发电机所吸收的功率的条件下。转子加速功率的优点在于，在许多情况下，所述变量通常已经被提供用于在风能设备100的控制中所使用的风估计器，也就是说，不需要对风能设备100的控制进行进一步调整。据此，通过根据本发明的调节器结构300仅替换已知的转速调节器就足够了。风估计器例如还从德国专利公开文本
de102017105165a1中已知。
63.替选于功率，示例性说明的调节器结构300也能够通过力矩或根据时间导出的转速来实现。除了当前的转速同时包含在加速功率中的方面外，这些解决方案是相同的。然而，功率如何换算为力矩并且力矩如何换算为功率是充分已知的。
64.内部的调节回路350就其本身而言会随着时间导致严重的转速误差，使得明显更慢和更迟钝地进行反应的外部的调节回路310产生加速功率的可能偏离于0kw的期望值。例如，如果出现超速情况，即实际转速n
ist
大于期望转速n
soll
，那么期望值340例如为
‑
200kw。在这种情况下，内部的调节回路350将调整大约
‑
200kw的转子加速功率p
beschleu
，使得转子106因此降低转速。
65.通过限制器330或370实现对转速调节器的输出的限制实现：最大的加速功率得到限制，这同样具有减轻负荷的作用。
66.尤其有利地，在图3中示意性示出的调节器结构300能够通过与内部的调节回路350并联地设置的预控装置来补充。例如，预控装置例如能够预控即将到来的阵风并且据此除了进行调节外还有源地干预桨距角操控。由此能够尤其有效地避免所出现的极端负荷，例如由强阵风引起的极端负荷。
67.总之，根据图3的调节器结构据此表示用于将转速调节到转速期望值n
soll
的调节器结构300。内部的调节回路350获得由转子106吸收的气动的功率或加速功率，或者也仅简单地获得转子加速度作为调节变量，其中变桨率或者替选地还有期望转子叶片角度用作为调整变量。外部的调节回路310将转子转速n作为调节变量来调节，其中气动的功率的、加速功率的或者还有期望转子加速度的期望值作为内部的调节回路350的调整变量产生。
68.图4示意性地并且示例性地示出根据本发明的用于运行风能设备100的方法集成到图3中所示出的调节器结构300中。代替在图3中示出的调节结构300，所有其他已知的调节器结构也能够通过根据本发明的方法修改，所述其他已知的调节器结构尤其形成用于调节风能设备100的转子转速n。如也结合调节器结构300所描述的那样，代替在该处示例性示出的加速功率或另一功率，同样能够使用力矩或由此导出的变量。
69.图4示出根据本发明的校正设备400，所述校正设备将点402处的加速功率p
beschleu
的校正值集成到内部的调节回路350中。据此，结果是加速功率p
beschleu
的校正值402，由此所述方法也能够类似地应用于力矩。
70.校正值402在物理上对应于源自风能设备100的塔振动的气动的功率，其称为气动的塔振动功率p
at
。出于该目的，借助于计算单元410计算视在风功率p
scheinbar
和纯风功率p
wind
，例如使用以下公式：
71.p
scheinbar
＝0，5*ρ*a*c
p
*(v
w
+v
tk
)3[0072][0073]
p
at
＝p
scheinbar
‑
p
wind
[0074]
首先，风能设备的由参数单元420提供的参数，如空气密度ρ和转子面积a，用作为计算单元410的输入变量。塔顶速度估计装置430提供塔顶速度v
tk
。这例如经由认证传感器来确定，所述认证传感器固定在塔顶中或吊舱处。用于估计塔顶速度的其他方法，例如经由设置在塔底部或塔中的应变计来进行估计，是已知的。
[0075]
最后，不具有塔顶速度影响的风速v
w
通过风估计器500提供。稍后将参照图5详细
描述风估计器500。代替风估计器500，其他方法也适用于提供风速v
w
，例如基于风速计或类似测量设备的方法。由风估计器500提供的风速v
w
要么在不受塔顶速度影响的情况下直接确定，要么替选地，后续从风速v
w
计算出塔顶速度v
tk
。
[0076]
计算单元410然后根据风速v
w
和塔顶速度v
tk
的差来确定视在风功率p
scheinbar
。附加地，纯风功率p
wind
仅由风速v
w
确定。
[0077]
然后通过计算单元410将这两个功率的差形成为气动的塔振动功率p
at
。气动的塔振动功率p
at
412被传送给乘法器440，所述乘法器根据乘数因子实现p
at
补偿(乘数因子等于1)或p
at
过补偿(修改因子大于1，优选在1和4之间)。p
at
补偿是纯干扰变量解耦，而p
at
过补偿实现p
at
的衰减。
[0078]
据此，以乘法器440的输出来减小的加速功率作为调节变量输送给内部的调节回路530。
[0079]
计算单元410和另外的单元420、430、500能够如计算单元380那样集成同一计算设备中。例如，风能设备100的中央计算机能够承担所有功能。替选地，一个、多个或所有功能也能够分布在多个计算单元上。同样也可行的是，部分地或者甚至完全地在远离风能设备100设置的设备上执行计算。例如，服务器或类似结构能够适用于此。
[0080]
图5示意性地并且示例性地示出风估计器500。风估计器500处理不同的输入变量，以便获得转子有效的风速510。
[0081]
首先，风估计器500获得空气密度501、cp特征曲线族502和转子叶片503的当前的叶片角度。
[0082]
作为其他参数，将转速504、转子惯量505和电功率506送入风估计器500中。转速504以及转子惯量505被换算为用于加速度512的功率分量并且与气隙力矩514组成转子518的气动的功率，所述气隙力矩借助于效率模型516从电功率506中导出。
[0083]
图6示意性地并且示例性地示出根据本发明的用于运行风能设备的方法600的流程图，在该处例如是风能设备100。
[0084]
所述方法首先具有确定塔102的塔顶和/或风能设备100的吊舱的速度的步骤610。例如估计、确定和/或测量塔顶或吊舱的速度。如所提及的那样，例如加速度传感器、应变计或其他设备适用于此。
[0085]
然后，在步骤620中，确定在风能设备100的区域中的绝对风速v
w
。也能够估计，例如借助于风估计器500估计，确定和/或测量绝对风速v
w
。在绝对风速v
w
中不包括或者计算出塔顶速度的影响。
[0086]
在步骤630中，基于绝对速度确定转子106上的纯风功率p
wind
。替选于一个风功率p
wind
，同样可行的是，在该步骤中基于绝对风速v
w
确定纯风力矩。
[0087]
在步骤640中，基于塔顶或吊舱的速度确定转子106上的视在风功率p
scheinbar
。尤其地，对于视在风功率p
scheinbar
而言，绝对风速v
w
和塔顶速度v
tk
的总和是重要的。除此之外，纯风功率p
wind
和视在风功率p
scheinbar
的计算在公式上是类似的。据此在该步骤中也能够以同样的方式来确定相应的力矩而不是功率。
[0088]
在步骤650中，基于视在风功率p
scheinbar
和纯风功率p
wind
的差来确定气动的塔振动功率p
at
。类似地，对于视在风力矩或纯风力矩而言，可以类似地确定气动的塔振动力矩。
[0089]
在步骤660中，利用气动的塔振动功率p
at
来调节风能设备100，例如如参照图4所描述的那样调节。