DE102011052666B4

DE102011052666B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102011052666B4
Application number: DE102011052666.8A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Loh; Detlef Menke; Christoph Schulten; Gert Torbohm
Original assignee: General Electric Renovables Espana SL
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL Es
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2025-10-02
Anticipated expiration: 2031-08-13
Also published as: US20110142620A1; DE102011052666A1; CN102374124A; CN102374124B; DK178157B1; US8210811B2; DK201170439A

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage (10), wobei die Windkraftanlage (10) einen Rotor (18), der wenigstens ein Rotorblatt (22) enthält, und ein Blattverstellantriebssystem (68) aufweist, das mit dem wenigstens einen Rotorblatt (22) gekoppelt ist, wobei das Blattverstellantriebssystem (68) zur Anstellwinkelverstellung des wenigstens einen Rotorblatts (22) eingerichtet ist, wobei das Verfahren aufweist:Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer ersten Variable, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage (10) kennzeichnet;Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer zweiten Variable der Windkraftanlage (10), die mit der zeitlichen Änderungsrate der ersten Variable korreliert ist; undSchätzen eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage (10) anhand von wenigstens den bestimmten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable, wobei das Schätzen ein Identifizieren einer künftigen Rotordrehzahl auf der Basis der bestimmten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable umfasst, und wobei das Blattverstellantriebssystem (68) auf der Basis des Ergebnisses der Schätzung den Anstellwinkel des wenigstens einen Rotorblatts (22) zum aerodynamischen Bremsen des Rotors (18) verstellt.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der hierin beschriebene Gegenstand betrifft allgemein Verfahren und Systeme zum Betreiben einer Windkraftanlage und insbesondere Verfahren und Systeme zum Betreiben einer Steuereinrichtung für eine Windkraftanlage.
Wenigstens einige bekannte Windkraftanlagen enthalten einen Turm und eine an dem Turm montierte Gondel. Ein Rotor ist an der Gondel drehbar montiert und ist über eine Welle mit einem elektrischen Generator gekoppelt. In typischen Windkraftanlagen erstrecken sich mehrere Blätter von dem Rotor weg. Die Blätter sind in einer derartigen Weise ausgerichtet, dass über die Blätter vorbeiströmender Wind den Rotor dreht und die Welle in Drehung versetzt, wodurch der Generator angetrieben wird, um Elektrizität zu erzeugen.
Wenigstens einige bekannte Windkraftanlagen werden durch ein Steuersystem betrieben. Außerdem führen wenigstens einige bekannte Steuersysteme für Windkraftanlagen deren Anstellwinkelsteuerung (Neigungssteuerung) durch Drehung der Rotorblätter um eine Blattverstellachse aus. Das heißt, diese Steuersysteme sind zur Regelung der Rotordrehzahl der Windkraftanlage durch Einstellung der Winkel der Blätter, d.h. Anstellwinkeleinstellung bzw. Neigungseinstellung der Blätter, in Bezug auf die Luftströmung ausgelegt. Eine Anstellwinkeleinstellung der Blätter zur Verringerung der Rotordrehzahl hat im Allgemeinen eine Erhöhung der Last zur Folge, die auf einige der Komponenten der Windkraftanlage, wie beispielsweise die Blätter, den Rotor oder den Windturm, einwirken.
Allgemein bewirkt eine Zunahme der Geschwindigkeit des auf die Rotorblätter auftreffenden Windes eine Steigerung der Rotordrehzahl. Unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise bei starken Winden in dem Bereich der Windkraftanlage, kann die Rotordrehzahl ggf. einen Schwellenwert, der der maximal zulässigen Drehzahl der Windkraftanlage entspricht, (d. h. eine Überdrehzahl) überschreiten. Die US 2009/0278352 A1 betrifft eine Windturbine mit variabler Geschwindigkeit mit nicht an das Netz angeschlossener Erregermaschine und Stromwandler. Die JP 2005/042603 A betrifft eine Drehmomentsteuerschaltung zur Kontrolle einer Überdrehzahl bei Windkraftanlagen durch einen PWM-Umrichter. Die DE 10 2008 012 957 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage.
Wenigstens einige bekannte Steuersysteme, die eine Anstellwinkelsteuerung ausführen, sind zur Überwachung der Rotordrehzahl durch Bestimmung deren tatsächlichen Werte und aerodynamische Verringerung der Rotordrehzahl (d. h. Bremsen des Rotors) ausgelegt, indem sie den Anstellwinkel der Blätter vergrößern, sobald ein tatsächlicher Wert der Rotordrehzahl die maximal zulässige Drehzahl der Windkraftanlage überschreitet. In dieser Situation kann eine Verringerung der Rotordrehzahl durch Anstellwinkelverstellung der Blätter zu einer besonders deutlichen Steigerung der auf Komponenten der Windkraftanlage einwirkenden Last führen. Im Allgemeinen beeinflusst eine derartige deutliche Laststeigerung die Betriebslebensdauer der Windkraftanlage in negativer Weise. In wenigstens einigen bekannten Blattverstellsteuersystemen drängt die Blattverstellsteuerung die Rotordrehzahl unter die maximal zulässige Drehzahl der Windkraftanlage zurück. Wenigstens einige dieser Blattverstellsteuersysteme sind dazu ausgelegt, den Anstellwinkel zu verringern, sobald die Rotordrehzahl unter der maximal zulässigen Drehzahl der Windkraftturbine liegt, um eine hohe Rotordrehzahl, jedoch innerhalb der Sicherheitsgrenze der Windkraftanlage (d. h. unter der maximal zulässigen Drehzahl der Windkraftanlage) aufrechtzuerhalten.
In derartigen Überdrehzahlfällen, die durch bekannte Steuersysteme geregelt werden, hat die Vergrößerung und spätere Verringerung des Anstellwinkels im Allgemeinen auf den Turm einwirkende Wechselkräfte zur Folge. In einigen Fällen können diese Wechselkräfte die Resonanzmodi des Turms anregen und zu einer Resonanzschwingung des Turms führen. Eine derartige Resonanzschwingung des Turms kann ein Abschalten der Windkraftanlage erfordern, wenn die Schwingung eine maximal zulässige Grenze überschreitet. Ein Abschaltereignis bringt einen Ausfall der Kapazität zur Erzeugung von Leistung durch die Windkraftanlage mit sich.
Demgemäß ist es wünschenswert, ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung zu schaffen, die in der Lage sind, eine Anstellwinkelsteuerung auszuführen, die hohe Belastungen an den Windkraftanlagenkomponenten vermeidet und/oder das Risiko einer Abschaltung der Windkraftanlage aufgrund eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage verringert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Offenbarung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage anzugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Weiterhin ist es Aufgabe der Offenbarung, eine verbesserte Steuereinrichtung zur Verwendung bei einer Windkraftanlage anzugeben. Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. einer Steuereinrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen enthalten eine Steuereinrichtung, die das Auftreten eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage anhand von tatsächlichen Werten mehrerer Variablen der Windkraftanlage abschätzt und wenigstens eines der Rotorblätter auf der Basis des Ergebnisses der Abschätzung im Anstellwinkel verstellt. Durch Abschätzen des Auftretens eines Überdrehzahlzustands ermöglichen die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine sanfte Anstellwinkelverstellung (Neigung) eines Rotorblatts. Dadurch bewirkt die Anstellwinkelverstellung ein sanftes Bremsen des Rotors. Demgemäß werden gewöhnlich Übergangslasten, die auf die Windkraftanlagenkomponenten einwirken, reduziert, und die Betriebslebensdauer der Windkraftanlage wird gewöhnlich verlängert. Außerdem verringert eine derartige sanfte Anstellwinkelverstellung gewöhnlich das Risiko einer Resonanzschwingung der Windkraftanlage und einer Abschaltung der Windkraftanlage. Insbesondere wird gemäß wenigstens einer Ausführungsform ein Rotorblatt auf eine Weise im Anstellwinkel verstellt, so dass eine erste Variable der Windkraftanlage, beispielsweise die Rotordrehzahl, einen Schwellenwert, der einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage kennzeichnet, nicht überschreitet.
In einem Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage geschaffen. Die Windkraftanlage enthält einen Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt enthält, und ein Blattverstellantriebssystem, das mit dem wenigstens einen Rotorblatt gekoppelt ist. Das Blattverstellantriebssystem ist zur Anstellwinkelverstellung (Neigung) des wenigstens einen Rotorblatts eingerichtet. Das Verfahren enthält: Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer ersten Variable, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage kennzeichnet; Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer zweiten Variable der Windkraftanlage, die mit der Änderungsrate der ersten Variable im Zeitablauf korreliert ist; und Schätzen eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage anhand von wenigstens den bestimmten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable. Das Schätzen umfasst ein Identifizieren einer künftigen Rotordrehzahl auf der Basis der bestimmten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable. Das Blattverstellantriebssystem neigt das wenigstens eine Rotorblatt zum aerodynamischen Bremsen des Rotors auf der Basis des Ergebnisses der Schätzung. In manchen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt die erste Variable einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage an, wenn sie einen Schwellenwert überschreitet.
In einem weiteren Aspekt ist eine Steuereinrichtung zur Verwendung bei einer Windkraftanlage geschaffen. Die Windkraftanlage enthält einen Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt enthält. Die Steuereinrichtung enthält ein Blattverstellantriebssystem, das mit dem wenigstens einen Rotorblatt gekoppelt ist, wobei das Blattverstellantriebssystem zur Anstellwinkelverstellung des wenigstens einen Rotorblatts eingerichtet ist. Die Windkraftanlage enthält ferner ein Steuersystem, das mit dem Blattverstellantriebssystem kommunikationsmäßig verbunden ist. Das Steuersystem ist konfiguriert, um: einen tatsächlichen Wert einer ersten Variable zu bestimmen, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage kennzeichnet; einen tatsächlichen Wert einer zweiten Variable der Windkraftanlage, die mit der zeitlichen Änderungsrate der ersten Variable korreliert ist, zu bestimmen; und ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage anhand von wenigstens den bestimmten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable abzuschätzen. Das Schätzen umfasst ein Identifizieren einer künftigen Rotordrehzahl auf der Basis der bestimmten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable. Das Steuersystem ist konfiguriert, um das Blattverstellantriebssystem auf eine derartige Weise zu steuern, dass das Blattverstellantriebssystem auf der Basis des Ergebnisses der Abschätzung das wenigstens eine Rotorblatt zum aerodynamischen Bremsen des Rotors hinsichtlich des Anstellwinkels verstellt.
Weiter ist ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage beschrieben. Die Windkraftanlage enthält einen Rotor, der wenigstens ein Rotorblatt enthält, und ein Blattverstellantriebssystem, das mit dem wenigstens einen Rotorblattgekoppelt ist, wobei das Blattverstellantriebssystem zur Anstellwinkelverstellung des wenigstens einen Rotorblatts eingerichtet ist. Das Verfahren enthält: Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer Referenzdrehzahl, die zu der Drehzahl des Rotors direkt proportional ist; Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer Änderungsrate der Referenzdrehzahl im Zeitablauf; und Auswerten der bestimmten tatsächlichen Werte der Referenzdrehzahl und der Änderungsrate der Referenzdrehzahl im Zeitablauf, um einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage zu identifizieren, Das Blattverstellantriebssystem dreht das wenigstens eine Rotorblatt, wenn ein Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage bei der Auswertung identifiziert wird.
Weitere Aspekte, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offenkundig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine umfassende und eine Umsetzung ermöglichende Offenbarung, einschließlich deren bester Ausführungsform, für einen Fachmann auf dem Gebiet ist in größeren Einzelheiten in der restlichen Beschreibung gegeben, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Figuren enthält, worin:

1 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Windkraftanlage.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts der in 1 veranschaulichten Windkraftanlage.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Steuereinrichtung der Windkraftanlage nach 1;
4 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Steuersystems einer Steuereinrichtung der Windkraftanlage nach 1;
5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben der Windkraftanlage nach 1 veranschaulicht;
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Betreiben der Windkraftanlage nach 1 veranschaulicht; und
7 zeigt eine schematische grafische Darstellung der Antwort auf einen identifizierten Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage nach 1 im Vergleich zu der Antwort wenigstens einiger bekannter Windkraftanlagen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf die verschiedenen Ausführungsformen Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in jeder Figur veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung vorgesehen und ist nicht als eine Beschränkung angedacht. Z.B. können Merkmale, die als ein Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um noch weitere Ausführungsformen zu ergeben. Es besteht die Absicht, dass die vorliegende Offenbarung derartige Modifikationen und Veränderungen umfasst.
Gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen betreibt eine Windkraftanlage ein Blattverstellantriebssystem zur Verdrehung eines Rotorblatts auf der Basis des Ergebnisses der Schätzung eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage. Die Schätzung basiert auf ermittelten tatsächlichen Werten mehrerer Werte der Windkraftanlage. Wenigstens eine dieser Variablen, die als die erste Variable bezeichnet wird, kennzeichnet einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage. Z.B. kann die erste Variable die Rotordrehzahl sein, die eine Überdrehzahl der Windkraftanlage anzeigt, wenn sie die maximal zulässige Drehzahl der Windkraftanlage überschreitet (d.h. eine Überdrehzahl). Alternativ kann die erste Variable eine Ausgangsleistung der Windkraftanlage, die Verbiegung eines oder mehrerer Rotorblätter, die Windgeschwindigkeit in der Umgebung der Windkraftanlage oder jede beliebige sonstige Variable sein, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage anzeigt, wenn sie einen Schwellenwert überschreitet. Typischerweise ist die erste Variable der Windkraftanlage eine Variable, die mit der Rotordrehzahl monoton korreliert ist. Wenigstens eine weitere dieser Variablen, die als die zweite Variable bezeichnet wird, ist mit der Änderungsrate der ersten Variable im Zeitablauf korreliert. In dem vorstehenden Beispiel kann die zweite Variable die Rotorbeschleunigung sein. Gewöhnlich ist die zweite Variable mit der Rotordrehbeschleunigung monoton korreliert. Gemäß wenigstens einigen Ausführungsformen kann die Schätzung auf weiteren Variablen der Windkraftanlage basieren. In dem vorstehenden Beispiel können für die Schätzung die zweite zeitliche Ableitung, die dritte Zeitableitung oder sogar weitere Zeitableitungen der ersten Variable, (z.B. der Rotordrehzahl) verwendet werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen verdreht das Blattverstellantriebssystem das Rotorblatt zum aerodynamischen Bremsen des Rotors, wenn das Ergebnis der Abschätzung das Auftreten eines Überdrehzahlzustands innerhalb einer vorbestimmten Zeit ist. Z.B. kann die Schätzung aus einer Berechnung des Wertes der Rotordrehzahl innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne (d.h. einer zukünftigen Rotordrehzahl) auf der Basis der ermittelten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable und einem Vergleich der identifizierten künftigen Rotordrehzahl mit einem vorbestimmten Rotordrehzahlwert, der gewöhnlich der maximal zulässigen Drehzahl der Windkraftanlage entspricht, bestehen. In diesem Beispiel stellt, falls die identifizierte künftige Rotordrehzahl die vorbestimmte Rotordrehzahl überschreitet, das Ergebnis der Schätzung das Auftreten eines Überdrehzahlzustands innerhalb dieser Zeitspanne dar, so dass folglich das Blattverstellantriebssystem das Rotorblatt oder die Rotorblätter im Anstellwinkel verstellt, um den Rotor aerodynamisch zu bremsen.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen ergeben eine Windkraftanlage, die einer Blattverstellanordnung ermöglicht, ein Rotorblatt um eine Blattverstellachse herum sanft zu verdrehen (d.h. ein Rotorblatt sanft zu neigen bzw. im Anstellwinkel zu verstellen). Insbesondere ermöglichen die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine Ausführung der Anstellwinkelverstellung, bevor sich die Windkraftanlage in einem Überdrehzahlzustand befindet. Außerdem wird eine Anstellwinkelverstellung gemäß manchen Ausführungsformen auf eine derartige Weise durchgeführt, dass ein voraussichtlicher Überdrehzahlzustand nicht auftritt.
Folglich ermöglichen die hierin beschriebenen Ausführungsformen gewöhnlich eine Reduktion der aerodynamischen Belastung in den Komponenten der Windkraftanlage, was gewöhnlich die Betriebslebensdauer der Windkraftanlage verlängert. Außerdem ermöglicht eine Windkraftanlage gemäß hierin beschriebenen Ausführungsformen gewöhnlich die Vermeidung einer durch einen Überdrehzahlzustand bedingten Abschaltung. Dadurch ermöglichen die hierin beschriebenen Ausführungsformen gewöhnlich eine Vergrößerung der Kapazität zur Erzeugung von Leistung durch eine Windkraftanlage. In dem hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Ausdruck „Überdrehzahlzustand“ einen Zustand der Windkraftanlage, in dem der Rotor der Windkraftanlage mit einer Drehgeschwindigkeit umläuft, bei der eine mögliche Beschädigung an dem Rotor, einschließlich einer Beschädigung an dem Rotorblatt oder einer anderen Komponente der Windkraftanlage, wie beispielsweise einem mit dem Rotor gekoppelten elektrischen Generator, auftreten kann.
In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck Variable einer Windkraftanlage eine mit der Windkraftanlage in Beziehung stehende Größe kennzeichnen, die im Laufe der Zeit variiert. Einige Beispiele für Variablen der Windkraftanlage sind die Rotordrehzahl (d.h. die Drehgeschwindigkeit des Rotors), Rotorbeschleunigung, beispielsweise die Dreh- oder axiale Beschleunigung des Rotors, Verbiegung des Rotorblatts oder eine Ausgangsleistung einer Windkraftanlage, beispielsweise eine Ausgangsleistung eines elektrischen Generators, der einen Teil der Windkraftanlage bildet.
In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck tatsächlicher Wert einer Variable einer Windkraftanlage einen Wert der Variable, der tatsächlich durch die Windkraftanlage angenommen wird, kennzeichnen. Z.B. könnte ein tatsächlicher Wert der Rotordrehzahl anhand einer direkten Messung der Rotordrehzahl durch einen Sensor bestimmt werden. Alternativ könnte ein tatsächlicher Wert der Rotordrehzahl ausgehend von einer Abschätzung einer Variable einer Windkraftanlage auf der Basis eines gemessenen Wertes einer anderen Variable, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einer Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle oder einer Drehgeschwindigkeit einer schnell drehenden Welle, die durch ein Getriebesystem mit der Rotorwelle verbunden ist, bestimmt werden. Z.B. kann ein tatsächlicher Wert der Rotorbeschleunigung einem direkten Messwert der Beschleunigung durch einen Sensor, der mit dem Rotor gekoppelt ist, entsprechen. Alternativ kann ein tatsächlicher Wert der Rotorbeschleunigung der Änderungsrate der tatsächlichen Werte der Rotordrehzahl im Laufe der Zeit entsprechen, die aus einer zeitlichen Folge von Rotordrehzahlwerten abgeleitet werden kann. Derartige Variablen der Windkraftanlage können durch jedes beliebige geeignete Verfahren bestimmt werden, das einen Betrieb der Windkraftanlage in der hierin beschriebenen Weise ermöglicht.
In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „Blatt“ jede Vorrichtung kennzeichnen, die eine Reaktionskraft liefert, wenn sie sich relativ zu einem umgebenden Fluid in Bewegung befindet. In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „Windkraftanlage“ jede Vorrichtung kennzeichnen, die Rotationsenergie aus Windenergie erzeugt und insbesondere kinetische Energie des Windes in mechanische Energie wandelt. In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „Windgenerator“ jede Windkraftanlage kennzeichnen, die elektrischen Strom aus von Windenergie erzeugter Rotationsenergie erzeugt und insbesondere aus der kinetischen Energie des Windes umgewandelte mechanische Energie in elektrischen Strom umwandelt.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen die gleichen Komponenten. Im Allgemeinen sind lediglich die Unterschiede zu den einzelnen Ausführungsformen beschrieben.
1 zeigt eine Perspektivansicht einer beispielhaften Windkraftanlage 10. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Windkraftanlage 10 eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse. Alternativ kann die Windkraftanlage 10 eine Windkraftanlage mit einer vertikalen Achse sein. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 10 einen Turm 12, der sich von einem Tragsystem 14 aus erstreckt, eine an dem Turm 12 montierte Gondel 16 und einen Rotor 18, der mit der Gondel 16 gekoppelt ist. Der Rotor 18 enthält eine drehbare Nabe 20 und wenigstens ein Rotorblatt 22, das mit der Nabe 20 gekoppelt ist und sich von dieser aus nach außen erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform weist der Rotor 18 drei Rotorblätter 22 auf. In einer alternativen Ausführungsform enthält der Rotor 18 mehr oder weniger als drei Rotorblätter 22. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Turm 12 aus Stahlrohr hergestellt, um einen (in 1 nicht veranschaulichten) Hohlraum zwischen dem Tragsystem 14 und der Gondel 16 zu definieren. In einer alternativen Ausführungsform ist der Turm 12 ein Turm von einer beliebigen geeigneten Bauart mit einer beliebigen geeigneten Höhe.
Die Rotorblätter 22 sind rings um die Nabe 20 beabstandet verteilt, um eine Drehung des Rotors 18 zu unterstützen, um eine Umwandlung der kinetischen Energie aus dem Wind in nutzbare mechanische Energie und anschließend in elektrische Energie zu ermöglichen. Die Rotorblätter 22 sind mit der Nabe 20 passend verbunden, indem ein Blattfußabschnitt 24 mit der Nabe 20 an mehreren Lastübertragungsbereichen 26 gekoppelt ist. Die Lastübertragungsbereiche 26 weisen einen Nabenlastübertragungsbereich und einen Blattlastübertragungsbereich auf (die beide in 1 nicht veranschaulicht sind). In die Rotorblätter 22 eingeleitete Kräfte werden auf die Nabe 20 über die Lastübertragungsbereiche 26 übertragen.
In einer Ausführungsform weisen die Rotorblätter 22 eine Länge im Bereich von etwa 15 Meter (m) bis etwa 91 m auf. Alternativ können die Rotorblätter 22 jede beliebige geeignete Länge aufweisen, die der Windkraftanlage 10 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Z.B. enthalten weitere nicht beschränkende Beispiele für Blattlängen 10 m oder weniger, 20 m, 37 m oder eine Länge, die größer ist als 91 m. Wenn Wind die Rotorblätter 22 von einer Richtung 28 streift, wird der Rotor 18 rings um eine Drehachse 30 gedreht. Wenn Rotorblätter 22 gedreht und Fliehkräften ausgesetzt werden, sind die Rotorblätter 22 ferner verschiedenen Kräften und Momenten ausgesetzt. Die Rotorblätter 22 können sich als solche von einer neutralen oder nicht ausgelenkten Stellung aus in eine ausgelenkte Stellung auslenken und/oder verdrehen.
Außerdem kann ein Anstellwinkel oder eine Blattneigung der Rotorblätter 22, d.h. ein Winkel, der eine Perspektive der Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 des Windes bestimmt, durch ein Blattneigungsverstellsystem 32 verändert werden, um durch Anpassung einer Verdrehstellung wenigstens eines Rotorblatts 22 in Bezug auf Windvektoren die Last und durch die Windkraftanlage 10 erzeugte Leistung zu steuern. In alternativen Ausführungsformen wird nur der Anstellwinkel eines Abschnitts der Rotorblätter 22 durch das Blattneigungsverstellsystem 32 verändert. Blattverstell- bzw. Neigungsachsen 34 für die Rotorblätter 22 sind in 1 veranschaulicht. Während eines Betriebs der Windkraftanlage 10 kann das Neigungsverstellsystem 32 einen Blattanstellwinkel (eine Blattneigung) der Rotorblätter 22 derart verändern, dass die Rotorblätter 22 zu einer Segelstellung auf eine Weise überführt werden, so dass die Perspektive wenigstens eines Rotorblatts 22 in Bezug auf Windvektoren einen minimalen Flächenbereich des Rotorblatts 22 ergibt, der in Richtung auf die Windvektoren orientiert ist, was eine Reduktion einer Drehgeschwindigkeit des Rotors 18 ermöglicht und/oder ein Anhalten des Rotors 18 ermöglicht.
In der beispielhaften Ausführungsform wird ein Blattanstellwinkel jedes Rotorblatts 22 einzeln durch ein Steuersystem 36 gesteuert. Alternativ kann der Blattanstellwinkel für alle Rotorblätter 22 durch das Steuersystem 36 gleichzeitig gesteuert werden. Ferner kann in der beispielhaften Ausführungsform, wenn sich die Richtung 28 verändert, eine Gierrichtung der Gondel 16 rings um eine Gierachse 38 gesteuert werden, um die Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 zu positionieren.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Steuersystem 36 veranschaulicht, wie es in der Gondel 16 zentralisiert ist, wobei jedoch das Steuersystem 36 ein durch die Windkraftanlage 10 hinweg, auf dem Tragsystem 14, innerhalb eines Windenergieparks und/oder in einer entfernten Steuerzentrale verteiltes System sein kann. Das Steuersystem 36 enthält einen Prozessor 40, der konfiguriert ist, um die hierin beschriebenen Verfahren und/oder Schritte durchzuführen. Ferner enthalten viele der weiteren hierin beschriebenen Komponenten einen Prozessor. In dem hierin verwendeten Sinne ist der Ausdruck „Prozessor“ nicht auf integrierte Schaltungen beschränkt, die in der Technik als ein Computer bzw. Rechner bezeichnet werden, sondern bezeichnet im weiten Sinne einen Controller, einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer, eine programmierbare Logiksteuerung (PLC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung und andere programmierbare Schaltkreise, und diese Ausdrücke werden hierin gegeneinander austauschbar verwendet. Es sollte verstanden werden, dass ein Prozessor und/oder ein Steuersystem auch einen Speicher, Eingangskanäle und/oder Ausgangskanäle enthalten kann.
In den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann ein Speicher, ohne Beschränkung, ein computerlesbares Medium, wie beispielsweise einen Direktzugriffsspeicher (RAM), und ein computerlesbares nicht-flüchtiges Medium, wie beispielsweise einen Flash-Speicher, enthalten. Alternativ können auch eine Floppy-Diskette, eine CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory), eine magentooptische Scheibe (MOD) und/ oder eine digitale vielseitige Scheibe (DVD) verwendet werden. Ferner enthalten in den hierin beschriebenen Ausführungsformen Eingangskanäle, ohne Beschränkung, Sensoren und/ oder Computerperipheriegeräte, die einer Benutzerschnittstelle zugeordnet sind, wie beispielsweise eine Maus und eine Tastatur. Ferner können in der beispielhaften Ausführungsform Ausgangskanäle, ohne Beschränkung, ein Steuergerät, einen Bedieneroberflächenmonitor und/oder eine Anzeige enthalten.
Hierin beschriebene Prozessoren verarbeiten Informationen, die von mehreren elektrischen und elektronischen Vorrichtungen übertragen werden, die, ohne Beschränkung, Sensoren, Aktuatoren, Kompressoren, Steuersysteme und/oder Überwachungsvorrichtungen enthalten können. Derartige Prozessoren können z.B. in einem Steuersystem, einem Sensor, einer Überwachungsvorrichtung, einem Desktop-Computer, einem Laptop-Computer, einem Schaltschrank mit programmierbarer Logiksteuerung (PLC) und/oder einem Schaltschrank mit verteiltem Steuersystem (DCS) physisch angeordnet sein. Das RAM und die Speichervorrichtungen speichern und übertragen Informationen und Instruktionen, die durch den (die) Prozessor(en) ausgeführt werden sollen. Das RAM und die Speichervorrichtungen können ferner verwendet werden, um während einer Ausführung der Instruktionen durch den (die) Prozessor(en) temporäre Variablen, statische (d.h. sich nicht ändernde) Informationen und Instruktionen oder andere Zwischeninformationen für die Prozessoren zu speichern und zu liefern. Instruktionen, die ausgeführt werden, können, ohne Beschränkung, Steuerbefehle des Windkraftanlagensteuersystems enthalten. Die Ausführung der Sequenzen von Instruktionen ist nicht auf irgendeine spezielle Kombination von Hardwareschaltung und Softwareinstruktionen beschränkt.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts der Windkraftanlage 10. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 10 die Gondel 16 und die Nabe 20, die mit der Gondel 16 drehbar gekoppelt ist. Insbesondere ist die Nabe 20 mit einem elektrischen Generator 42, der in der Gondel 16 positioniert ist, über eine Rotorwelle 44 (die manchmal entweder als eine Hauptwelle oder als eine langsam drehende Welle bezeichnet wird), ein Getriebe 46, eine schnell drehende Welle 48 und eine Kupplung 50 drehfest gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Rotorwelle 44 koaxial zu der Längsachse 116 angeordnet. Eine Drehung der Rotorwelle 44 treibt das Getriebe 46 drehend an, das anschließend die schnell drehende Welle 48 antreibt. Die schnell drehende Welle 48 treibt den Generator 42 mit der Kupplung 50 drehend an, und eine Drehung der schnell drehenden Welle 48 ermöglicht eine Erzeugung elektrischer Leistung durch den Generator 42. Das Getriebe 46 und der Generator 42 sind durch einen Träger 52 und einen Träger 54 gehaltert. In der beispielhaften Ausführungsform verwendet das Getriebe 46 eine Doppelpfadgeometrie, um die schnell drehende Welle 48 anzutreiben. Alternativ ist die Rotorwelle 44 mit der Kupplung 50 unmittelbar an dem Generator 42 angekoppelt.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Gondel 16 ferner einen Gierantriebsmechanismus 56, der verwendet werden kann, um die Gondel 16 und die Nabe 20 über der (in 1 veranschaulichten) Gierachse 38 zu drehen, um die Perspektive der Rotorblätter 22 in Bezug auf die Richtung 28 des Windes zu steuern. Die Gondel 16 enthält ferner wenigstens einen Windmessmast 58, der eine Windfahne und ein Anemometer enthält (von denen keine(s) in 2 veranschaulicht ist). Der Mast 58 liefert Informationen an das Steuersystem 36, die die Windrichtung und/oder die Windgeschwindigkeit umfassen können. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Gondel 16 ferner ein vorderes Hauptstützlager 60 und ein hinteres Hauptstützlager 62
Das vordere Stützlager 60 und das hintere Stützlager 62 ermöglichen eine radiale Abstützung und Ausrichtung der Rotorwelle 44. Das vordere Stützlager 60 ist mit der Rotorwelle 44 in der Nähe der Nabe 20 gekoppelt. Das hintere Stützlager 62 ist an der Rotorwelle 44 in der Nähe des Getriebes 46 und/oder des Generators 42 positioniert. Alternativ enthält die Gondel 16 eine beliebige Anzahl von Stützlagern, die der Windkraftanlage 10 ermöglichen, in der hierin offenbarten Weise zu funktionieren. Die Rotorwelle 44, der Generator 42, das Getriebe 46, die schnell drehende Welle 48, die Kupplung 50 und jede zugehörige Befestigungs-, Halterungs- und/oder Sicherungsvorrichtung, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, des Trägers 52 und/oder des Trägers 54, des vorderen Stützlagers 60, des hinteren Stützlagers 62, werden manchmal als ein Antriebsstrang 64 bezeichnet.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Nabe 20 eine Blattneigungs- bzw. Blattverstellanordnung 66. Die Blattverstellanordnung 66 enthält ein oder mehrere Blattverstellantriebssysteme 68. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Gondel 16 ein Sensorsystem, das wenigstens einen Sensor, beispielsweise einen Drehzahlsensor 70, zur Erfassung wenigstens einer Variable der Windkraftanlage 10, beispielsweise einer Drehzahl oder Beschleunigung wenigstens eines Rotorblatts 22 enthalten kann. Gewöhnlich ist, wie nachstehend näher ausgeführt, der wenigstens eine Sensor in dem Sensorsystem mit dem Steuersystem 36 kommunikationsmäßig gekoppelt. Gewöhnlich ist jedes Blattverstellantriebssystem 68 mit einem jeweiligen (in 1 veranschaulichten) Rotorblatt 44 zur Beeinflussung des Blattanstellwinkels des zugehörigen Rotorblatts 22 an der Blattneigungsverstellachse 34 gekoppelt. In 2 ist lediglich eines der drei Blattverstellantriebssysteme 68 veranschaulicht.
In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Blattverstellanordnung 66 wenigstens ein Blattverstelllager 72, das mit der Nabe 20 und mit dem jeweiligen (in 1 veranschaulichten) Rotorblatt 22 gekoppelt ist, um das zugehörige Rotorblatt 22 über der Blattverstellachse 34 zu verdrehen. Das Blattverstellantriebssystem 68 enthält einen Blattverstellantriebsmotor 74, ein Blattverstellantriebsgetriebe 76 und ein Blattverstellantriebsritzel 78. Der Blattverstellantriebsmotor 74 ist mit dem Blattverstellantriebsgetriebe 76 auf eine derartige Weise gekoppelt, dass der Blattverstellantriebsmotor 74 auf das Blattverstellantriebsgetriebe 76 eine mechanische Kraft überträgt. Das Blattverstellantriebsgetriebe 76 ist mit dem Blattverstellantriebsritzel 78 auf eine derartige Weise gekoppelt, dass das Blattverstellantriebsritzel 78 durch das Blattverstellantriebsgetriebe 76 gedreht wird. Das Blattverstelllager 72 ist mit dem Blattverstellantriebsritzel 78 auf eine derartige Weise gekoppelt, dass die Drehung des Blattverstellantriebsritzels 78 eine Drehung des Blattverstelllagers 72 verursacht. Insbesondere ist in der beispielhaften Ausführungsform das Blattverstellantriebsritzel 78 mit dem Blattverstelllager 72 derart gekoppelt, dass eine Drehung des Blattverstellantriebsgetriebes 76 das Blattverstelllager 72 und das Rotorblatt 22 um die Blattvertellachse 34 dreht, um den Blattanstellwinkel (die Blattneigung) des Blattes 22 zu verändern.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Blattverstellantriebssystem 68 mit dem Steuersystem 36 zur Einstellung des Blattanstellwinkels des Rotorblatts 22 bei Empfang eines oder mehrerer Signale von dem Steuersystem 36 gekoppelt. Der Blattverstellantriebsmotor 74 ist ein beliebiger geeigneter Motor, der durch elektrische Leistung und/oder ein hydraulisches System angetrieben ist, das der Blattverstellanordnung 66 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Alternativ kann die Blattverstellanordnung 66 eine beliebige geeignete Struktur, Konfiguration, Einrichtung und/oder beliebige geeignete Komponenten, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, hydraulische Zylinder, Federn und/oder Servomechanismen, enthalten. Außerdem kann die Blattverstellanordnung 66 durch jedes beliebige geeignete Mittel, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, ein hydraulisches Fluid und/oder mechanische Leistung, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, eingeleitete Federkräfte und/oder elektromagnetische Kräfte, angetrieben sein. In manchen Ausführungsformen wird der Blattverstellantriebsmotor 74 durch Energie angetrieben, die aus der Massenträgheit der Nabe 20 und/oder einer (nicht veranschaulichten) gespeicherten Energiequelle entnommen wird, die Energie zu Komponenten der Windkraftanlage 10 liefert.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Steuereinrichtung 92. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Steuereinrichtung 92 ein Blattverstellantriebssystem 68, ein Steuersystem 36 und ein Sensorsystem 94. Die Steuereinrichtung 92 kann jede beliebige weitere geeignete Vorrichtung enthalten, die der Steuereinrichtung 92 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. Gemäß manchen Ausführungsformen ist das Blattverstellantriebssystem 68 mit wenigstens einem Rotorblatt 22 zur Verdrehung des Rotorblatts um eine Blattverstellachse 34 herum gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform entspricht das Blattverstellantriebssystem 68 einem Blattverstellantriebssystem, wie es vorstehend beschrieben ist. Das Blattverstellantriebssystem 68 ist mit dem Steuersystem 36 derart kommunikationsmäßig verbunden, dass das Blattverstellantriebssystem 68 in der Lage ist, bei Empfang eines oder mehrer Signale von dem Steuersystem 36 den Blattanstellwinkel des Rotorblatts 22 anzupassen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das Steuersystem 36 mit dem Blattverstellantriebssystem 68 kommunikationsmäßig verbunden und konfiguriert, um ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands ausgehend von wenigstens den ermittelten tatsächlichen Werten einer ersten und einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10 abzuschätzen. In der beispielhaften Ausführungsform bestimmt das Steuersystem 36 die tatsächlichen Werte durch das Sensorsystem 94.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die erste Variable mit einer Drehzahl bzw. -geschwindigkeit des Rotors 18 monoton korreliert, und/oder die zweite Variable ist mit einer Drehbeschleunigung des Rotors 18 monoton korreliert. In dem hierin verwendeten Sinne kennzeichnet der Ausdruck monoton korreliert eine Beziehung zwischen zwei Variablen der Windkraftanlage, die deren korrelierte Vergrößerung und Verringerung impliziert. Z.B. kann, wie vorstehend erläutert, die Windkraftanlage 10 eine schnell drehende Welle 48 enthalten, die durch ein Getriebe 46 mit der Rotorwelle 44 gekoppelt ist. In diesen Ausführungsformen ist die Drehzahl der schnell drehenden Welle 48 gewöhnlich zu der Rotordrehzahl direkt proportional. Deshalb wird in dem hier verwendeten Sinne gesagt, dass die Drehzahlen der schnell drehenden Welle 48 mit der Rotordrehzahl monoton korreliert ist. Als ein weiteres Beispiel enthält die Windkraftanlage 10 in der beispielhaften Ausführungsform einen elektrischen Generator 42 zur Erzeugung einer elektrischen Ausgangsleistung. Die elektrische Ausgangsleistung ist gewöhnlich zu der dritten Potenz der Rotordrehzahl proportional. Deshalb wird in dem hierin verwendeten Sinne gesagt, dass die Ausgangsleistung mit der Rotordrehzahl monoton korreliert ist.
Gemäß wenigstens einigen Ausführungsformen bestimmt das Steuersystem 46 tatsächliche Werte der ersten Variable anhand des Sensorsystems 94 und bestimmt tatsächliche Werte der zweiten Variable aus den bestimmten Werten der ersten Variable. Z.B. kann das Steuersystem 36 konfiguriert sein, um den tatsächlichen Wert der zweiten Variable durch Berechnung der Änderungsrate der ersten Variable im Laufe der Zeit zu ermitteln. Insbesondere kann das Steuersystem 36 tatsächliche Werte der Rotordrehzahl (d.h. in dem Fall, der ersten Variable) durch das Sensorsystem 94 bestimmen und kann tatsächliche Werte der Rotordrehbeschleunigung (d.h., in diesem Fall, der zweiten Variable) durch Berechnung der zeitlichen Änderungsrate der Werte der Rotordrehzahl ermitteln.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das Blattverstellantriebssystem 68 konfiguriert, um auf der Basis des Ergebnisses der Abschätzung, die durch das Steuersystem 36 durchgeführt wird, das Rotorblatt 22 zu verdrehen. Z.B. wird das Rotorblatt 22 verdreht, wenn das Steuersystem 36 basierend auf den bestimmten tatsächlichen Werten erkennt, dass die Windkraftanlage 10 in einen Überdrehzahlzustand eintreten wird. In der beispielhaften Ausführungsform kommuniziert das Steuersystem 36 mit dem Blattverstellantriebssystem 68, um zu signalisieren, dass ein Überdrehzahlzustand eintreten wird. Wenn das Blattverstellantriebssystem 68 ein Überdrehzahlzustandsauftrittssignal empfängt, verdreht es das Rotorblatt 22 zu einer Segelstellung hin, um die Drehzahl zu reduzieren (d.h. den Rotor 18 aerodynamisch zu bremsen).
Gemäß manchen Ausführungsformen enthält das Sensorsystem 94 einen oder mehrere Sensoren zur Messung tatsächlicher Werte einer oder mehrer Variablen der Windkraftanlage 10. Insbesondere ist das Sensorsystem 94 mit dem Steuersystem 36 kommunikationsmäßig verbunden, um typischerweise gemessene Werte der Variablen dem Steuersystem 36 zuzuführen. Auf der Basis der empfangenen Messwerte bestimmt das Steuersystem 36 typischerweise tatsächliche Werte einer oder mehrerer Variablen der Windkraftanlage 10. Gemäß wenigstens einigen der Ausführungsformen ist das Sensorsystem 36 konfiguriert, um einen tatsächlichen Wert wenigstens entweder einer ersten Variable und/oder einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10, beispielsweise der Rotordrehzahl und/oder der Rotorbeschleunigung, zu messen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das Sensorsystem 94 dazu eingerichtet, mit einem drehbaren Teil der Windkraftanlage 10 gekoppelt zu sein, wobei das drehbare Teil mit dem Rotor 18 verbunden ist, um einen tatsächlichen Wert einer ersten Variable oder einer zweiten Variable der Windkraftanlage durch Messen der Drehgeschwindigkeit des drehbaren Teils zu ermitteln. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Sensorsystem 94 den Drehzahlsensor 70 zur Erfassung der Rotordrehzahl. Insbesondere ist der Drehzahlsensor 70 in der beispielhaften Ausführungsform mit der Rotorwelle 44 gekoppelt, um deren Drehzahl zu messen. Gemäß manchen Ausführungsformen enthält der Drehzahlsensor 70 einen Näherungssensor, der konfiguriert ist, um eine Drehung der Rotorwelle 44 zu registrieren, so dass der Drehzahlsensor 70 die Drehzahl der Rotorwelle 44 misst. Die Drehzahl der Rotorwelle 44 entspricht der Rotordrehzahl. In alternativen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 94 einen Sensor, der sich zur Messung einer anderen Variable der Windkraftanlage 10 eignet, beispielsweise einen mit der schnell drehenden Welle 48 gekoppelten Drehzahlsensor zur Messen deren Drehgeschwindigkeit, enthalten. In alternativen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 94 eine beliebige Anordnung von Sensoren enthalten, die sich zur Messung mehrerer Variablen der Windkraftanlage 10 eignen, z.B. einen Drehzahlsensor, der mit der schnell drehenden Welle 48 gekoppelt ist, um die Drehgeschwindigkeit der schnell drehenden Welle 48 zu messen, und einen Beschleunigungssensor, der mit dem Rotor 18 gekoppelt ist, um die Rotorbeschleunigung zu messen.
Allgemein kann das Sensorsystem 94 einen beliebigen geeigneten Sensor enthalten, der einen Messwert einer Variable der Windkraftanlage 10 liefert, der geeignet ist, um eine Schätzung des Austretens eines Überdrehzahlzustands zu ermöglichen. Z.B. kann das Sensorsystem 94 einen Sensor enthalten, der mit einem elektrischen Generatorteil der Windkraftanlage 10, beispielsweise einem Ausgang des elektrischen Generators 42, gekoppelt ist, um wenigstens entweder einen tatsächlichen Wert der ersten Variable und/oder einen tatsächlichen Wert der zweiten Variable durch Messung einer Ausgangsleistung und/oder ihrer Änderungsrate im Laufe der Zeit, von dem elektrischen Generatorteil, zu ermitteln.
Gemäß wenigstens einigen der Ausführungsformen kann das Sensorsystem 94 konfiguriert sein, um einen tatsächlichen Wert einer Windgeschwindigkeit in einem Bereich in der Nähe der Windkraftanlage 10 zu messen. In der beispielhaften Ausführungsform bildet der Mast 58 einen Teil des Sensorsystems 94 und liefert Windgeschwindigkeits- und -richtungsdaten zu dem Steuersystem 36. In diesen Ausführungsformen ist es typisch, dass das Steuersystem 36 konfiguriert ist, um einen Überdrehzahlzustand weiter auf der Basis eines ermittelten tatsächlichen Wertes der Windgeschwindigkeit zu identifizieren. Dadurch kann das Steuersystem 36 einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage erkennen, indem es tatsächliche Werte der Windgeschwindigkeit zur Schätzung eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 betrachtet.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das Sensorsystem 94 konfiguriert, um einen tatsächlichen Wert einer Verbiegung des Rotorblatts 22 zu messen. In diesen Ausführungsformen kann das Sensorsystem 94 einen beliebigen geeigneten Sensor enthalten, der eine Bestimmung einer Verbiegung des Rotorblatts 22 ermöglicht, wie beispielsweise einen Dehnungsmessstreifensensor oder einen optischen Belastungssensor.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das Sensorsystem 94 konfiguriert, um eine Beschleunigung des Rotors 18 in einer Richtung senkrecht zu einer Längsachse der Nabe 20 (d.h. eine Beschleunigung in Bezug auf die Schwerkraft) zu messen. In derartigen Ausführungsformen enthält das Sensorsystem 94 gewöhnlich einen oder mehrere (nicht veranschaulichte) Beschleunigungssensoren, die an einem oder in der Nähe eines der Rotorblätter 22 montiert sind, um eine Erfassung einer ersten Beschleunigung des Rotors 18 in einer ersten Richtung senkrecht zu der Längsachse der Nabe 20 sowie eines zweiten Beschleunigungsvektors des Rotors 18 in einer Richtung senkrecht zu sowohl der ersten Richtung als auch der Längsachse der Nabe 20 zu ermöglichen. In derartigen Ausführungsformen wird der gemessene Wert oder werden die gemessenen Werte der Beschleunigung gemeinsam mit wenigstens einem tatsächlichen Wert einer weiteren Variable der Windkraftanlage 10 dazu verwendet, ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands abzuschätzen.
In der beispielhaften Ausführungsform bestimmt das Steuersystem 94 einen tatsächlichen Wert einer ersten Variable der Windkraftanlage aus einer gemessenen Drehzahl. In manchen Ausführungsformen wird der tatsächliche Wert unmittelbar aus wenigstens einem gemessenen Wert ermittelt. In anderen Ausführungsformen werden die tatsächlichen Werte der ersten Variable von wenigstens einem gemessenen Wert einer anderen Variable abgeleitet. Z.B. entspricht die erste Variable in einigen Ausführungsformen der Rotordrehzahl, und das Steuersystem 36 bestimmt die Rotordrehzahl durch Ableitung derselben aus Messwerten der Drehzahl der schnell drehenden Welle. In diesen Ausführungsformen berücksichtigt das Steuersystem 36 gewöhnlich das Übersetzungsverhältnis, um die tatsächlichen Werte der Rotordrehzahl aus der gemessenen Drehzahl der schnell drehenden Welle 48 abzuleiten. In der beispielhaften Ausführungsform bestimmt das Steuersystem 36 einen tatsächlichen Wert der zweiten Variable aus der zeitlichen Änderungsrate der gemessenen Werte der Rotordrehzahl. Alternativ bestimmt das Steuersystem 36 einen tatsächlichen Wert der zweiten Variable unmittelbar aus Messwerten der Rotorbeschleunigung, die durch das Sensorsystem 94 geliefert werden. Wie oben erläutert, wertet das Steuersystem 36 die ermittelten tatsächlichen Werte der ersten Variable und der zweiten Variable aus, um das Austreten eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 zu schätzen.
4 zeigt ein Blockschaltbild eines beispielhaften Steuersystems 36, das einen Teil einer Steuereinrichtung der Windkraftanlage 10 nach 1 bildet. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Steuersystem 36 einen Controller 102, einen Speicher 104 und ein Kommunikationsmodul 106. Das Steuersystem 36 kann jede beliebige geeignete Vorrichtung enthalten, die dem Steuersystem 36 ermöglicht, in der hierin beschriebenen Weise zu funktionieren. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Kommunikationsmodul 106 eine Sensorschnittstelle 108, die es ermöglicht, den Controller 102 zu aktivieren, um mit dem Sensorsystem 94 zu kommunizieren. In einer Ausführungsform enthält die Sensorschnittstelle 108 einen Analog/Digital-Wandler, der ein analoges Spannungssignal, das durch den Sensor erzeugt wird, in ein digitales Mehr-Bit-Signal, das durch den Controller 102 genutzt werden kann, wandelt. In alternativen Ausführungsformen kann das Kommunikationsmodul 106 jede beliebige geeignete festverdrahtete und/oder drahtlose Kommunikationsvorrichtung enthalten, die eine Übertragung von Signalen zu und/oder einen Empfang von Signalen von jeder Vorrichtung ermöglicht, die an der Windkraftanlage angeordnet ist, wie beispielsweise einer Vorrichtung, die an der Rotorwelle 44 oder innerhalb oder außerhalb des Rotors 18 und/oder entfernt von dem Rotor 18 angeordnet ist. In der beispielhaften Ausführungsform kann der Speicher 104 jede beliebige geeignete Speichervorrichtung enthalten, zu der einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, ein Flash-Speicher, ein elektrisch löschbarer programmierbarer Speicher, ein Nur-Lese-Speicher (ROM), Wechselmedien und/oder andere flüchtige und nicht-flüchtige Speichervorrichtungen gehören. In einer Ausführungsform werden ausführbare Instruktionen (d.h. Softwareinstruktionen) in dem Speicher 104 gespeichert, um durch den Controller 102 bei der Steuerung des Blattverstellantriebsystems 68 verwendet zu werden, wie dies nachstehend beschrieben ist.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Controller 102 ein Echtzeit-Controller, der ein beliebiges geeignetes prozessorbasiertes oder mikroprozessorbasiertes System enthält, wie beispielsweise ein Computersystem, das Mikrocontroller, Schaltkreise mit reduziertem Befehlssatz (RISC), anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (A-SICs), Logikschaltungen und/oder beliebige sonstige Schaltungen oder Prozessoren, die in der Lage sind, die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. In einer Ausführungsform kann der Controller 102 ein Mikroprozessor sein, der einen Nur-Lese-Speicher (ROM) und/oder einen Direktzugriffspeicher (RAM) enthält, wie z.B. ein 32-Bit-Mikrocomputer mit einem 2 Mbit ROM und 64 Kbit RAM. In dem hierin verwendeten Sinne bezieht sich der Ausdruck „Echtzeit“ auf Ergebnisse, die in einer im Wesentlichen kurzen Zeitspanne nach einer Veränderung der das Ergebnis beeinflussenden Eingaben eintreten, wobei die Zeitspanne ein Auslegungsparameter ist, das auf der Basis der Wichtigkeit des Ergebnisses und/oder der Fähigkeit des Systems, die Eingaben zu verarbeiten, um das Ergebnis zu erzeugen, ausgewählt werden kann.
In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Sensor des Sensorsystems 94, beispielsweise ein Drehzahlsensor 70, mit der Rotorwelle 44 gekoppelt, um ein Messen der Drehzahl des Rotors 18 zu ermöglichen. Das Sensorsystem 94 kann einen Sensor enthalten, der an einer beliebigen geeigneten Stelle an der Windkraftanlage 10 montiert ist, die dem Sensor ermöglicht, eine Variable der Windkraftanlage 10, beispielsweise eine Drehzahl des Rotors 18 oder eine Drehzahl, die hierzu direktproportional ist, wie beispielsweise eine Drehzahl der schnell drehenden Welle 48, zu messen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist der Controller 102 programmiert, um einen tatsächlichen Wert einer ersten Variable zu bestimmen, der einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 kennzeichnet. In der beispielhaften Ausführungsform ist ein Sensor des Sensorsystems 94 mit dem Controller 102 über ein beliebiges geeignetes festverdrahtetes und/oder drahtloses Kommunikationsmedium über die Sensorschnittstelle 108 des Kommunikationsmoduls 106 kommunikationsmäßig verbunden, um eine Aktivierung des Sensors zur Übertragung von Signalen zu und/oder zum Empfang von Signalen von dem Controller 102 zu ermöglichen. In der beispielhaften Ausführungsform misst der Drehzahlsensor 70 kontinuierlich tatsächliche Werte einer Drehzahl des Rotors 18, und der Drehzahlsensor 70 überträgt Signale, die gemessene tatsächliche Werte der Rotordrehzahl kennzeichnen, kontinuierlich in Echtzeit zu dem Controller 102. In einer Ausführungsform kann der Controller 102 programmiert sein, um die durch den Drehzahlsensor 70 übermittelten Signale kontinuierlich zu empfangen und zu überwachen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Controller 102 die durch den Drehzahlsensor 70 übertragenen Signale nicht kontinuierlich empfangen und/oder überwachen, sondern vielmehr programmiert sein, um Signale von dem Drehzahlsensor 70 in vorbestimmten Zeitintervallen wiederholt anzufordern. In manchen Ausführungsformen kann/können der Controller 102 und/oder der Drehzahlsensor 70 in beliebigen geeigneten Zeitintervallen Signale zueinander senden und/oder Signale voneinander empfangen. Alternative oder zusätzliche Sensoren des Sensorssystems 94 kommunizieren in einer analogen Weise mit dem Controller 102, um tatsächliche Messwerte von Variablen der Windkraftanlage 10 zu diesem zu übertragen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist der Controller 102 programmiert, um einen tatsächlichen Wert einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10 zu bestimmen, die mit der zeitlichen Änderungsrate einer ersten Variable korreliert ist. Gewöhnlich steht die zweite Variable mit der zeitlichen Änderungsrate der ersten Variable auf einer derartigen Weise in Korrelationsbeziehung, dass eine Veränderung der zeitlichen Rate von einer Veränderung der zweiten Variable begleitet ist und gewöhnlich parallel zu dieser erfolgt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Controller 102 programmiert, um eine zeitliche Änderungsrate der Drehzahl des Rotors 18 aus gemessenen tatsächlichen Werten der Rotordrehzahl zu bestimmen. Auf diese Weise bestimmt der beispielhafte Controller 102 tatsächliche Werte einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10, in diesem Fall der Drehbeschleunigung des Rotors 18, aus der Änderungsrate der ersten Variable (d.h., in diesem Fall, der Drehzahl des Rotors 18) im Zeitablauf. In anderen alternativen Ausführungsformen kann der Controller 102 tatsächliche Werte einer zweiten Variable der Windkraftanlage aus Daten ermitteln, die durch Sensoren gemessen werden, die einen Teil des Sensorsystems 94 bilden. Zum Beispiel kann der Controller 102 die tatsächlichen Werte der Drehbeschleunigung aus Daten ermitteln, die durch einen Beschleunigungssensor gemessen werden, der einen Teil des Sensorsystems 18 bildet. In anderen alternativen Ausführungsformen kann der Controller 102 tatsächliche Werte der zweiten Variable der Windkraftanlage, wie beispielsweise die Rotorbeschleunigung, anhand der zeitlichen Änderungsrate anderer Variablen der Windkraftanlage, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, der Drehgeschwindigkeit der schnell drehenden Welle 48 oder einer Ausgangsleistung der Windkraftanlage 10, ermitteln.
Während eines Betriebs der beispielhaften Windkraftanlage 10 ist die Steuereinrichtung 102 programmiert, um Signale zu empfangen, die tatsächlichen Werten wenigstens einer Variable der Windkraftanlage entsprechen, wie beispielsweise gemessene Daten, die durch den Drehzahlsensor 70 geliefert werden, und der Controller 102 ist programmiert, um einen Wert einer Variable der Windkraftanlage jedem Signal zuzuordnen, um wenigstens einen tatsächlichen Wert dieser Variable zu bestimmen. Zum Beispiel kann der Controller 102 programmiert sein, um einen Wert der Drehzahl des Rotors 18 einem Signal von dem Drehzahlsensor 70 zur Bestimmung eines tatsächlichen Wertes der Drehzahl des Rotors 18 zuzuordnen. Gemäß einigen Ausführungsformen ist der Controller 102 programmiert, um einen Wert einer zweiten Variable der Windkraftanlage einem Signal von einem Sensor des Sensorsystems 94 zuzuordnen. Zum Beispiel kann der Controller 102 programmiert sein, um einen Wert der Drehbeschleunigung des Rotors 18 einem Signal eines Beschleunigungssensors zuzuordnen, um einen tatsächlichen Wert der Beschleunigung des Rotors 18 zu bestimmen.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Controller 102 programmiert, um Daten, die einen Überdrehzahlzustand (d.h. einen Überdrehzahlzustand des Rotors 18) kennzeichnen, in dem Speicher 102 zu speichern. Zum Beispiel kann der Controller 102 die maximal zulässige Drehzahl der Windkraftanlage speichern. Bei dieser Drehzahl wird gesagt, dass der Rotor 18 sich in einem Überdrehzahlzustand befindet. In einer anderen Ausführungsform speichert der Controller 102 eine Nachschlagetabelle, die Werte einer ersten und einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10 mit dem Auftreten einer Überdrehzahl korreliert. Zum Beispiel kann eine derartige Nachschlagetabelle Werte der Rotordrehzahl und der Rotorbeschleunigung korrelieren, die bewirken, dass ein Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne eintritt.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist der Controller 102 programmiert, um ein Eintreten eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 anhand von wenigstens den ermittelten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable zu schätzen. Insbesondere ist der Controller 102 gemäß manchen Ausführungsformen programmiert, um nach der Bestimmung der tatsächlichen Werte einer ersten und einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10 diese Werte für eine Abschätzung auszuwerten, die darauf gerichtet ist, einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 zu identifizieren. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Controller 102 programmiert, um wenigstens einen der bestimmten Werte der Rotordrehzahl und/oder der Rotorbeschleunigung zur Identifizierung des Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 auszuwerten. In dem hierin verwendeten Sinne soll der Ausdruck „Identifizieren eines Überdrehzahlzustands“ einen Prozess kennzeichnen, um auf das Eintreten eines vorliegenden Überdrehzahlzustands zu schließen oder das Auftreten eines Überdrehzahlzustands innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne abzuschätzen oder um Werte von Variablen der Windkraftanlage zu identifizieren, die dazu führen können, dass ein Überdrehzahlzustand innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne eintritt.
Der Controller 102 ist programmiert, um eine künftige Rotordrehzahl auf der Basis ermittelter tatsächlicher Werte einer ersten und einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10 zu identifizieren und insbesondere die identifizierte künftige Rotordrehzahl mit einem vorbestimmten Rotordrehzahlwert zu vergleichen, um ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands abzuschätzen.
In einer Ausführungsform ist der Controller zur Auswertung der ermittelten tatsächlichen Werte der ersten Variable und der zweiten Variable, um einen Überdrehzahlzustand zu identifizieren, programmiert, um die tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable kontinuierlich in ein mathematisches Modell einzugeben, das eine Identifikation eines Überdrehzahlzustands ermöglicht. Der Controller 102 ist programmiert, um eine künftige Rotordrehzahl auf der Basis bestimmter tatsächlicher Werte der ersten Variable und der zweiten Variable zu identifizieren. Zum Beispiel ist der Controller 102 in einer Ausführungsform programmiert, um einen tatsächlichen Wert der Rotordrehzahl v_i und einen tatsächlichen Wert der Rotorbeschleunigung a_i in die Formel v_i+a_iT einzugeben, um eine künftige Rotordrehzahl zu identifizieren, die innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne T auftreten wird. In einer Ausführungsform liegt die vorbestimmte Zeitspanne T im Bereich von etwa 0,1 bis 5 Sekunden oder insbesondere bei 0,5 bis 4 Sekunden oder sogar mehr im Besonderen bei 1 bis 3 Sekunden. In einer Ausführungsform liegt die vorbestimmte Zeitspanne T im Bereich von 1 Sekunde bis 3 Sekunden. Alternativ kann die vorbestimmte Zeitspanne T jede beliebige geeignete Zeitspanne sein, die dem Controller 102 ermöglicht, eine künftige Rotordrehzahl passend zu identifizieren. Gemäß wenigstens einigen dieser Ausführungsformen ist der Controller 102 ferner programmiert, um die identifizierte künftige Rotordrehzahl mit einem vorbestimmten Rotordrehzahlwert zu vergleichen, um einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 zu identifizieren.
Gewöhnlich entspricht der Wert der vorbestimmten Rotordrehzahl der maximal zulässigen Drehzahl der Windkraftanlage, wobei diese Drehzahl durch Auswertung der speziellen Eigenschaften der Windkraftanlage 10 im Voraus bestimmt wird. Gewöhnlich wird die maximal zulässige Drehzahl im Voraus bestimmt, indem die physikalischen Eigenschaften der Blattspitzen berücksichtigt werden. Insbesondere entspricht die maximal zulässige Drehzahl einer Rotordrehzahl, bei der die Geschwindigkeit eines äußeren Abschnitts des Rotorblatts 22 (d.h. die Randgeschwindigkeit) eine Geschwindigkeit zwischen 70 und 110 m/s oder insbesondere zwischen 80 und 100 m/s, beispielsweise 90 m/s, nicht überschreitet. In manchen Ausführungsformen wird die maximal zulässige Drehzahl der Windkraftanlage 10 im Voraus bestimmt, indem die maximal zulässige Last an manchen Komponenten der Windkraftanlage 10, wie beispielsweise den Rotorlagern, die durch eine Drehung des Rotors 18 hervorgerufen wird, oder die maximal zulässige Last, die auf den Turm 12 oder die Gondel 16 einwirkt, berücksichtigt wird. In manchen Ausführungsformen wird die maximal zulässige Drehzahl im Voraus bestimmt, indem die maximal zulässige Lärmerzeugung der Windkraftanlage 10 berücksichtigt wird. In manchen Ausführungsformen kann die maximal zulässige Drehzahl sich in Abhängigkeit von den speziellen Bedingungen, denen die Windkraftanlage 10 ausgesetzt ist, ändern. Zum Beispiel werden gemäß manchen Ausführungsformen, die in Offshore-Windkraftanlagen realisiert sind, die Stärke (d.h. Kraft) oder die Leistungsdichte und/oder die Frequenz der Meerwellen, die auf die Windkraftanlage 10 einwirken, zur Bestimmung der maximal zulässigen Drehzahl zu einer bestimmten Zeit berücksichtigt.
Alternativ kann jedes beliebige geeignete mathematische Modell verwendet werden, das dem Windcontroller 102 ermöglicht, einen Überdrehzahlzustand zu identifizieren, wie hierin beschrieben. Ein derartiges geeignetes mathematisches Modell kann ein Modell sein, das als Eingaben die Beschleunigung in Bezug auf die Schwerkraft, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, und ihre Änderungsrate im Zeitablauf aufweist. Alternativ kann ein derartiges mathematisches Modell ein Modell sein, das als weitere Eingaben die Windgeschwindigkeit und ihre zeitliche Änderungsrate aufweist. Gewöhnlich weist das mathematische Modell als Eingabe eine Kombination von Variablen auf, die einem Wert einer bestimmten Größe der Windkraftanlage 10 und ihrer Änderungsrate im Zeitablauf entsprechen. Gemäß manchen Ausführungsformen wird in dem Controller 102 ein mathematisches Modell mit mehr als zwei Variablen der Windkraftanlage 10 als Eingaben implementiert, um einen künftigen Wert der Rotordrehzahl zu identifizieren. Zum Beispiel kann ein derartiges mathematisches Modell die zweite Zeitableitung, die dritte Zeitableitung oder sogar höhere Zeitableitungen der Rotordrehzahl als Eingaben haben, um einen künftigen Wert des Rotorwertes auf genaue Weise zu identifizieren. Gewöhnlich basiert ein derartiges mathematisches Modell auf einer endlichen Taylor-Entwicklung, die eine Näherung eines künftigen Wertes der Rotordrehzahl nach einer bestimmten Zeit liefert. In einem anderen Beispiel wird ein mathematisches Modell, das die Ausgangsleistung und die Rotorbeschleunigung als Eingaben aufweist, zur Identifikation eines künftigen Wertes der Rotordrehzahl in dem Controller 102 implementiert.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist der Controller 102 programmiert, um die Zeitdauer zum Erreichen eines vorbestimmten Rotordrehzahlwertes auf der Basis ermittelter tatsächlicher Werte einer ersten Variable und einer zweiten Variable der Windkraftanlage zu identifizieren und gewöhnlich die identifizierte Zeitdauer mit einer vorbestimmten Zeitdauer zu vergleichen. In einer Ausführungsform ist der Controller 102 programmiert, um aus dem mathematischen Modell die Zeitdauer bis zum Erreichen eines vorbestimmten Rotordrehzahlwertes auf der Basis der ermittelten tatsächlichen Werte der ersten Variable und der zweiten Variable abzuleiten und die identifizierte Zeitdauer mit einer vorbestimmten Zeitdauer zu vergleichen. Zum Beispiel kann der Controller 102 das Auftreten einer Überdrehzahl V abschätzen, indem er die zum Erreichen der maximal zulässigen Drehzahl der Windkraftanlage 10 benötigte Zeitdauer durch Eingabe eines tatsächlichen Wertes der Rotordrehzahl v_i und eines tatsächlichen Wertes der Rotorbeschleunigung a_i in die Formel (V-v_i)/a_i bestimmt. Falls die ermittelte Zeitdauer unterhalb einer vorbestimmten Zeitdauer liegt, identifiziert der Controller 102 das Auftreten eines Überdrehzahlzustands und meldet es entsprechend an das Blattverstellantriebssystem 68, um die Rotorblätter 22 zu verdrehen. Gewöhnlich liegt die vorbestimmte Zeitdauer im Bereich von etwa 0,1 bis 5 Sekunden oder insbesondere 0,5 bis 4 Sekunden oder sogar mehr im Besonderen bei 1 bis 3 Sekunden.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist der Controller 102 programmiert, um ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage durch Aktivierung eines Logikalgorithmus zu schätzen, sobald der Wert der ersten Variable, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 kennzeichnet, einen vorbestimmten Wert überschreitet. Zum Beispiel wird gemäß manchen Ausführungsformen die Logik aktiviert, wenn die Rotordrehzahl einen Wert zwischen 85%-95%, beispielsweise bei 90%, der maximal zulässigen Rotordrehzahl überschreitet. Alternativ wird die Logik aktiviert, wenn eine Ausgangsleistung der Windkraftanlage 10 einen Wert zwischen 85%-95%, beispielsweise bei 90%, der maximal zulässigen Ausgangsleistung überschreitet. Alternativ wird die Logik aktiviert, wenn eine Windgeschwindigkeit in der Umgebung der Windkraftanlage 10 einen Wert zwischen 8m/s - 12m/s, beispielsweise bei 12m/s überschreitet. Sobald die Logik aktiviert ist und solange die erste Variable größer ist als der vorbestimmte Wert, schätzt der Controller 102 ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands ab, indem er einen künftigen Wert der ersten Variable berechnet, der innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer eintreten wird. Gewöhnlich liegt die vorbestimmte Zeitdauer im Bereich von etwa 0,1 bis 5 Sekunden oder insbesondere 0,5 bis 4 Sekunden oder noch mehr im Besonderen bei 1 bis 3 Sekunden.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist der Controller 102 programmiert, um ermittelte tatsächliche Werte einer ersten und einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10 durch Vergleichen dieser Werte mit einer Liste vorbestimmter Werte zum Abschätzen des Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 zu validieren. In einer Ausführungsform kann der Controller 102 eine Nachschlagetabelle speichern, die eine Liste mit vorbestimmten Werten der ersten und der zweiten Variable der Windkraftanlage 10 enthält, um zu identifizieren, welche Kombination dieser Werte zu einem Überdrehzahlzustand innerhalb einer bestimmten Zeitdauer führt. Insbesondere kann der Controller 102 eine Nachschlagetabelle speichern, die vorbestimmte Werte der Rotordrehzahl und der Rotorbeschleunigung enthält. Durch Validierung der tatsächlichen Werte der Rotordrehzahl und der Rotorbeschleunigung in der Nachschlagetabelle kann der Controller 102 ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 schätzen. Insbesondere kann die Nachschlagetabelle dem Controller 102 anhand bestimmter Kombinationen der tatsächlichen Werte anzeigen, dass er dem Blattverstellantriebssystem 68 signalisieren soll, die Rotorblätter 22 im Anstellwinkel zu verstellen, um den Rotor 18 aerodynamisch zu bremsen.
Eine Nachschlagetabelle, auf die vorstehend Bezug genommen ist, wird gewöhnlich im Voraus bestimmt, indem eine geeignete Modellierung der Windkraftanlagendynamik und der maximal zulässigen Parameter der Windkraftanlage 10, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, der auf bestimmte Komponenten, wie beispielsweise den Turm 12, die Gondel 16 oder Lager in der Windkraftanlage 10 einwirkenden Lasten, sowie der Lärmerzeugung mit berücksichtigt wird. Alternativ wird die Tabelle im Voraus durch jedes beliebige geeignete Verfahren bestimmt, dass dem Windcontroller 102 ermöglicht, ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands abzuschätzen, wie dies hierin beschrieben ist. In alternativen Ausführungsformen wird eine Auswertung auf der Basis einer Tabelle vorgenommen, die Werte anderer Variablen, beispielsweise der Ausgangsleistung und der Rotorbeschleunigung oder der Rotordrehzahl und der zeitlichen Änderungsrate der Ausgangsleistung, korreliert. Gemäß manchen Ausführungsformen weist die Nachschlagetabelle als Eingangsgröße drei oder mehrere Variablen der Windkraftanlage oder andere mit dieser in Beziehung stehende Parameter, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, eine Windgeschwindigkeit auf. Gemäß manchen Ausführungsformen werden eine Nachschlagetabelle und ein mathematisches Modell, die als Eingangsgröße wenigstens eine Variable der Windkraftanlage 10 aufweisen, in dem Controller 102 implementiert, um ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands zuschätzen.
Gemäß manchen Ausführungsformen stützt der Controller 102 ferner die Schätzung auf einen ermittelten tatsächlichen Wert der Windgeschwindigkeit, um einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 zu identifizieren. Zum Beispiel kann der Controller 102 tatsächliche Werte der Rotordrehzahl, der Rotorbeschleunigung und der Windgeschwindigkeit in ein geeignetes mathematisches Modell zur Identifizierung einer Überdrehzahl der Windkraftanlage eingeben. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass der Controller 102 das Auftreten eines Überdrehzahlzustands auf eine genaue und zuverlässige Weise schätzt. In einem anderen Beispiel, das eine Offshore-Windkraftanlage betrifft, werden die Größe (d.h. Kraft) oder Leistungsdichte und/oder Frequenz von Meereswellen, die auf eine Windkraftanlage 10 einwirken, mitberücksichtigt, um ein Auftreten einer Überdrehzahl einer Windkraftanlage 10 abzuschätzen.
Gemäß manchen Ausführungsformen identifiziert der Controller 102 einen Überdrehzahlzustand auf der Basis wenigstens einer Größe aus einer Verbiegung eines Rotorblatts 22, einer Ausgangsleistung der Windkraftanlage 10 und/oder einer Drehzahl der Windkraftanlage 10 unmittelbar proportional zu einer Drehzahl des Rotors. Gemäß manchen Ausführungsformen stützt der Controller 102 die Auswertung auf die Änderungsrate wenigstens einer dieser Variablen.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Controller 102 ferner programmiert, um wenigstens ein Blattverstellantriebssystem 68 zu steuern, wenn der Controller 102 das Auftreten eines Überdrehzahlzustands positiv einschätzt, um den Rotor 18 aerodynamisch zu bremsen. In einer Ausführungsform ist der Controller 102 programmiert, um eine künftige Rotordrehzahl auf der Basis der ermittelten tatsächlichen Werte der ersten Variable und der zweiten Variable zu identifizieren, die identifizierte künftige Rotordrehzahl mit einem vorbestimmten Rotordrehzahlwert zu vergleichen, um einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 zu identifizieren, und das Blattverstellantriebssystem 68 zu steuern, wenn eine identifizierte künftige Rotordrehzahl bei dem vorbestimmten Rotordrehzahlwert liegt oder diesen überschreitet. In einer Ausführungsform ist der Controller 102 konfiguriert, um als Reaktion auf ein identifiziertes Auftreten eines künftigen Überdrehzahlzustands das Blattverstellantriebssystem 68 zu steuern, um das Rotorblatt 22 zu einer Segelstellung zu bewegen, so dass eine Drehung des Rotors 18 verzögert wird.
Gemäß manchen Ausführungsformen verstellt das Blattverstellantriebssystem 68 den Anstellwinkel des Rotorblatts 22 mit einer Verstellgeschwindigkeit, wobei die Verstellgeschwindigkeit wenigstens auf der Basis wenigstens eines ermittelten tatsächlichen Wertes der ersten Variable und/oder der zweiten Variable bestimmt wird. In der beispielhaften Ausführungsform bestimmt der Controller 102 eine Blattverstellgeschwindigkeit zur Steuerung wenigstens eines Blattverstellantriebssystems 68. Der Controller 102 kann die Blattverstellgeschwindigkeit auf der Basis der ermittelten tatsächlichen Werte der Rotordrehzahl und der Rotorbeschleunigung bestimmen. Gewöhnlich werden, indem die tatsächlichen Werte beider Variablen berücksichtigt werden, die Blätter 22 mit einer im Vergleich zu einer Situation, in der nur die tatsächliche Rotordrehzahl berücksichtigt wird, geringeren Blattverstellgeschwindigkeit verstellt. Folglich ermöglichen diese Ausführungsformen eine sanfte Anstellwinkelverstellung eines Rotorblatts 22 als Reaktion auf einen Zustand der Windkraftanlage 10, der zu einem Überdrehzahlzustand führen kann oder führt. Je höher die Anstellwinkelverstellgeschwindigkeit ist, desto höher ist die Anzahl der angeregten Resonanzfrequenzen der Windkraftanlage 10. Folglich ermöglichen diese Ausführungsformen, dass nur eine geringe Anzahl von Resonanzfrequenzen während der Anstellwinkelverstellung angeregt wird, so dass demgemäß eine Turmschwingung, die durch die Anstellwinkelverstellung verursacht wird, gewöhnlich gering gehalten wird.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen bestimmt der Controller 102 die Blattverstellgeschwindigkeit, indem er eine vorbestimmte maximale Bruttobremsgeschwindigkeit berücksichtigt. Gewöhnlich verdreht das Blattverstellantriebssystem 38 das Rotorblatt 22 auf eine derartige Weise, dass das Bremsen des Rotors 18 eine vorbestimmte maximale Rotorbremsgeschwindigkeit nicht überschreitet. In einer Ausführungsform wird die Blattverstellgeschwindigkeit bestimmt, indem eine vorbestimmte maximale Last, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, eine maximale vorbestimmte Last der Rotorlager, des Turms 12 oder der Gondel 16, berücksichtigt wird. Gewöhnlich dreht das Blattverstellantriebssystem 68 in dieser Ausführungsform die Rotorblätter 22 auf eine derartige Weise, dass eine auf die Windkraftanlage 10 einwirkende Last die vorbestimmte maximale Last nicht überschreitet. Zum Beispiel kann der Controller 102 tatsächliche Werte der auf bestimmte Komponenten der Windkraftanlage 10 einwirkenden Last, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, einer Last an den Rotorlagern, dem Turm 12 oder der Gondel 16, bestimmen und eine Blattverstellgeschwindigkeit ermitteln, die das aerodynamische Abbremsen des Rotors 18 auf eine derartige Weise beeinflusst, dass die Last die vorbestimmte maximale Last nicht überschreitet. In manchen Ausführungsformen dreht das Blattverstellantriebssystem 68 die Rotorblätter 12 auf eine derartige Weise, dass eine erste Variable der Windkraftanlage 10, beispielsweise die Rotordrehzahl, einen Schwellenwert, beispielsweise die maximal zulässige Rotordrehzahl, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, nicht überschreitet.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren 500 zum Betreiben der Windkraftanlage 10 nach 1 veranschaulicht. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Verfahren 500 ein Bestimmen 502 eines tatsächlichen Wertes einer ersten Variable, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 kennzeichnet. Gewöhnlich ist die erste Variable mit einer Drehgeschwindigkeit des Rotors 10 monoton korreliert. Zum Beispiel entspricht die erste Variable der Rotordrehzahl, der Vorbiegung des Rotorblatts 22, einer Ausgangsleistung der Windkraftanlage 10 oder einer Drehgeschwindigkeit der Windkraftanlage 10, wobei diese Drehgeschwindigkeit zu einer Drehgeschwindigkeit des Rotors direkt proportional ist, wie beispielsweise die Drehzahl der schnell drehenden Welle 48 oder die Drehzahl des elektrischen Generators 42. Alternativ kann die erste Variable der Beschleunigung in Bezug auf die Schwerkraft, auf die oben Bezug genommen wurde, entsprechen. Das beispielhafte Verfahren 500 enthält ferner ein Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10, die mit der Änderungsrate der ersten Variable im Verlauf der Zeit korreliert ist. Gewöhnlich ist die zweite Variable mit einer Drehbeschleunigung des Rotors 18 monoton korreliert.
Das beispielhafte Verfahren 500 enthält ferner ein Schätzen 506 eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 ausgehend von wenigstens den ermittelten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable. Das Schätzen 506 enthält ein Identifizieren einer künftigen Rotordrehzahl auf der Basis der ermittelten tatsächlichen Werte der ersten Variable und der zweiten Variable und optionales Vergleichen der identifizierten künftigen Rotordrehzahl mit einem vorbestimmten Rotordrehzahlwert zur Identifizierung eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10. Gemäß einigen Ausführungsformen enthält das Schätzen 506 ein Identifizieren der Zeitdauer bis zum Erreichen eines vorbestimmten Rotordrehzahlwertes auf der Basis der ermittelten tatsächlichen Werte der ersten Variable und der zweiten Variable und Vergleichen der identifizierten Zeitdauer mit einer vorbestimmten Zeitdauer. Gemäß manchen Ausführungsformen enthält das Schätzen 506 ein Validieren der ermittelten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable durch Vergleichen dieser Werte mit einer Liste vorbestimmter Werte. Dadurch wird die Schätzung eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands ermöglicht.
Das beispielhafte Verfahren 500 enthält ferner ein Anstellwinkelverstellen 510 des Rotorblatts 22 zum aerodynamischen Abbremsen des Rotors 18 auf der Basis eines Ergebnisses 508 der Abschätzung. Gewöhnlich werden die Rotorblätter 22 verdreht, wenn das Ergebnis 508 der Schätzung das Auftreten eines Überdrehzahlzustands innerhalb einer vorbestimmten Zeit ist. Gemäß manchen Ausführungsformen verdreht das Blattverstellantriebssystem 68, wenn ein Überdrehzahlzustand identifiziert wird, das Rotorblatt 22. Insbesondere ist es typisch, dass das Blattverstellantriebssystem 68 das Rotorblatt 22 im Anstellwinkel verstellt, sobald das Auftreten eines Überdrehzahlzustands in der Schätzung identifiziert worden ist, oder mit einer Verzögerung, die einer vorbestimmten Zeit entspricht.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein weiteres beispielhaftes Verfahren 600 zum Betreiben der Windkraftanlage nach 1 veranschaulicht. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Verfahren 600 ein Bestimmen 602 eines tatsächlichen Wertes einer Referenzdrehzahl, die zu der Drehzahl des Rotors direkt proportional ist. Gewöhnlich entspricht die Referenzdrehzahl der Rotordrehzahl, der Drehgeschwindigkeit der schnell drehenden Welle 48 oder der Geschwindigkeit eines drehbaren Teils der Windkraftanlage 10, das mit dem Rotor 18 gekoppelt ist. Gewöhnlich kennzeichnet die Referenzdrehzahl einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10, wenn sie einen Schwellenwert überschreitet. Typischerweise entspricht die Schwellendrehzahl einer maximal zulässigen Drehzahl der Referenzdrehzahl. Das beispielhafte Verfahren 600 enthält ferner ein Bestimmen 604 eines tatsächlichen Wertes einer Änderungsrate der Referenzdrehzahl im Laufe der Zeit. Gewöhnlich entspricht diese Änderungsrate der Beschleunigung des Rotors 18. Das beispielhafte Verfahren 600 enthält ferner ein Auswerten 606 der ermittelten tatsächlichen Werte der Referenzdrehzahl und der zeitlichen Änderungsrate der Referenzdrehzahl zur Identifizierung eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage. Das beispielhafte Verfahren 600 enthält ferner ein Identifizieren 608 eines Überdrehzahlzustands auf der Basis des Ergebnisses der Auswertung 606. Wenn ein Überdrehzahlzustand identifiziert ist, verdreht das Blattverstellantriebssystem 68 das Rotorblatt 22 im Schritt 610.
7 zeigt eine schematisierte grafische Darstellung der Antwort auf einen identifizierten Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage nach 1 im Vergleich zu der Antwort einer bekannten Windkraftanlage auf eine Überdrehzahl, wie sie durch eine Steigerung der Windgeschwindigkeit hervorgerufen wird. Insbesondere zeigt die Grafik die Antwort der Windkraftanlagen während einer Zeitdauer von ungefähr 13 Sekunden (d.h. entsprechend der horizontalen Achse der Grafiken). Eine Grafik A zeigt ein Zeitreihenverlaufsdiagramm einer Windgeschwindigkeit 700, die gewöhnlich zu einer Zunahme einer Rotordrehzahl führt. Die Windgeschwindigkeit ist in der Grafik A in Einheiten von Meter pro Sekunde (m/s) veranschaulicht. Die durch die Windgeschwindigkeit 700 hervorgerufene Zunahme der Rotordrehzahl ist in der Grafik B für wenigstens eine bekannte Windkraftanlage (Linie 702) und in der Grafik C für eine Windkraftanlage gemäß der vorstehenden beispielhaften Ausführungsform (Linie 706) veranschaulicht. Die Rotordrehzahl ist in den beiden Grafiken in Einheiten von Umdrehungen pro Minute (1/m) veranschaulicht. In der bekannten Windkraftanlage überschreitet die Rotordrehzahl 702 zu einem Zeitpunkt T1 einen vorbestimmten Rotordrehzahlwert 703, der einer Rotorüberdrehzahl entspricht. In der bekannten Windkraftanlage wird der Blattwinkel (Linie 704) variiert, um die Rotordrehzahl zu verringern, sobald die Rotordrehzahl 702 den vorbestimmten Wert 703 überschreitet, d.h. im Zeitpunkt t1.
Wie in der Grafik C nach 7 veranschaulicht, wird ein Blattwinkel (Linie 708) in der beispielhaften Ausführungsform zur Verringerung der Rotordrehzahl variiert, wenn der Controller der Windkraftanlage auf der Basis der vorstehend erläuterten Abschätzung einen Überdrehzahlzustand identifiziert. Insbesondere schätzt die beispielhafte Windkraftanlage zum Zeitpunkt t1', einem Zeitpunkt vor t1, dass innerhalb einer bestimmten Zeit stattfindende Auftreten eines künftigen Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage auf der Basis tatsächlicher Werte der Rotordrehzahl und Rotorbeschleunigung ein. In der beispielhaften Ausführungsform verdreht das Blattverstellantriebssystem 68 die Rotorblätter 22 zu dem Zeitpunkt t1'. Das heißt, in der beispielhaften Ausführungsform beginnt die Windkraftanlage, den Anstellwinkel zu verstellen, bevor die Rotordrehzahl 706 den vorbestimmten Wert 703, der einer Rotorüberdrehzahl entspricht, erreichen würde. Demgemäß erkennt der Controller 102 in der beispielhaften Ausführungsform das Auftreten eines künftigen Überdrehzahlzustands und reagiert, bevor die Windkraftanlage in den geschätzten Überdrehzahlzustand eintritt. Dadurch ist die beispielhafte Windkraftanlage in der Lage, eine sanftere Anstellwinkelverstellung als die bekannte Windkraftanlage vorzunehmen, um die Rotordrehzahl als Reaktion auf eine Steigerung der Windgeschwindigkeit, die in der Lage ist, einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage herbeizuführen, zu verringern. Dadurch bewirkt die Anstellwinkelfeststellung der beispielhaften Windkraftanlage ein sanfteres Abbremsen des Rotors im Vergleich zu der bekannten Windkraftanlage, und es reduziert folglich die transienten Lasten, die auf Windkraftanlagenkomponenten einwirken.
Allgemein impliziert eine Anstellwinkelverstellung der Blätter in einer Windkraftanlage zur Verringerung der Rotordrehzahl, dass die Windkraftanlage gegen den Wind gezogen wird (d.h. sie hat eine Windturmauslenkung zu dem Wind hin zufolge). Dieses Ziehen vergrößert sich gewöhnlich mit der Anstellwinkelverstellgeschwindigkeit. Eine Grafik D zeigt eine Turmauslenkung 710 in Abhängigkeit von der Veränderung des Blattwinkels 704 der bekannten Windkraftanlage in der Grafik B und eine Turmauslenkung 712 in Abhängigkeit von der Veränderung des Blattwinkels 708 der beispielhaften Ausführungsform gemäß der Grafik C. Die bekannte Windkraftanlage wird während der Zeit t1 und der Zeit t2 gegen den Wind gezogen, während die Windkraftanlage in der beispielhaften Ausführungsform während der Zeit t1' und der Zeit t2' gegen den Wind gezogen wird. Da die Anstellwinkelverstellung mit einer geringeren Verstellgeschwindigkeit für die Windkraftanlage in der beispielhaften Ausführungsform ausgeführt wird, ist die entsprechende Auslenkung des Windturms geringer als für die bekannte Windkraftanlage. Zum Zeitpunkt t2 ist die Rotordrehzahl 702 der bekannten Windkraftanlage bis zurück unter den vorbestimmten Wert 703 verringert, und der Blattwinkel 704 wird in der entgegengesetzten Richtung verändert, um die Rotordrehzahl möglichst hoch zu halten. Demgemäß wird der Windturm in der bekannten Windkraftanlage zwischen dem Zeitpunkt t2 und dem Zeitpunkt t3 in Bezug auf den Wind gedrückt, wie dies durch die Turmauslenkung 710 veranschaulicht ist.
Dieses Ziehen und Drücken in der bekannten Windkraftanlage regt die Resonanzfrequenz des Turms an, wie dies durch die Turmauslenkung 710 in der Grafik D veranschaulicht ist. Die Turmschwingung ist in der Grafik D in Einheiten von Tausendstel der Erdbeschleunigung (1g = 9,81 m/s²) veranschaulicht. Im Allgemeinen erfordert eine derartige Resonanzschwingung der bekannten Windkraftanlage ein Abschalten der Windkraftanlage. Im Gegensatz hierzu ist aufgrund der geringeren Anstellwinkelverstellgeschwindigkeit in der beispielhaften Windkraftanlage die zugehörige Turmauslenkung 712 geringer als bei der bekannten Windkraftanlage. In diesem Beispiel führt die Turmauslenkung 712 nicht zu einer Resonanzschwingung des Turms. Demgemäß erfordert in diesem Beispiel die Anstellwinkelverstellung der beispielhaften Windkraftanlage, wenn ein Überdrehzahlzustand identifiziert wird, keine Abschaltung von dieser. Außerdem sind Lasten, die auf die beispielhafte Windkraftanlage während der Anstellwinkelverstellung einwirken, im Vergleich zu der bekannten Windkraftanlage deutlich reduziert.
Vorstehend sind beispielhafte Ausführungsformen von Systemen und Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage im Einzelnen beschrieben. Die Systeme und Verfahren sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, so dass vielmehr Komponenten der Systeme und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und gesondert von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden können. Z.B. kann das Verfahren Werte einer Variablen, die durch ein Sensor bestimmt wird, und Werte einer anderen Variable, die unter Verwendung eines geeigneten mathematischen Modells, das als Eingabe die erste Variable und andere dynamische Variablen, wie beispielsweise die Windgeschwindigkeit, aufweist, auswerten, und es ist nicht auf die Umsetzung bei lediglich den Windkraftanlagensystemen, wie hierin beschrieben, beschränkt. Vielmehr kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Rotorblattanwendungen implementiert und genutzt werden.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jedem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Während verschiedene spezielle Ausführungsformen in dem Vorstehenden offenbart worden sind, werden Fachleute erkennen, dass der Rahmen und Umfang der Ansprüche gleichwirkende Modifikationen zulässt. Insbesondere können einander nicht ausschließende Merkmale der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage 10 geschaffen. Die Windkraftanlage 10 enthält einen Rotor 18, der wenigstens ein Rotorblatt 22 enthält, und ein Blattverstellantriebssystem 68, das mit dem wenigstens einen Rotorblatt 22 gekoppelt ist. Das Blattverstellantriebssystem 68 ist zur Anstellwinkelverstellung des Rotorblatts 22 eingerichtet. Das Verfahren enthält: Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer ersten Variable, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage 10 kennzeichnet; Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer zweiten Variable der Windkraftanlage 10, die mit der zeitlichen Änderungsrate der ersten Variable korreliert ist; und Schätzen eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage 10 anhand von wenigstens den bestimmten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable. Das Schätzen umfasst ein Identifizieren einer künftigen Rotordrehzahl auf der Basis der bestimmten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable. Das Blattverstellantriebssystem 68 verstellt den Anstellwinkel des wenigstens einen Rotorblatts 22 zum aerodynamischen Bremsen des Rotors 18 auf der Basis des Ergebnisses der Schätzung.
Teileliste:

10: Windkraftanlage
12: Turm
14: Tragsystem
16: Gondel
18: Rotor
20: drehbare Nabe
22: Rotorblätter
24: Blattfußabschnitt
26: Lastübertragungsbereiche
28: Richtung
30: Drehachse
32: Blattverstellsystem
34: Blattverstellachsen
36: Steuersystem
38: Gierachse
40: Prozessor
42: elektrischer Generator
44: Rotorwelle
46: Getriebe
48: schnell drehende Welle
50: Kupplung
52: Halterung
54: Halterung
56: Gierantriebsmechanismus
58: Windmessmast
60: vorderes Stützlager
62: hinteres Stützlager
64: Antriebsstrang
66: Blattverstellanordnung
70: Drehzahlsensor
72: Blattverstelllager
74: Blattverstellantriebsmotor
76: Blattverstellantriebsgetriebe
78: Blattverstellantriebsritzel
82: Kabel
84: Stromgenerator
86: Hohlraum
88: innere Fläche
90: äußere Fläche
92: Steuereinrichtung
94: Sensorsystem
116: Längsachse
500: beispielhaftes Verfahren
502: Bestimmungsschritt
504: Bestimmungsschritt
506: Auswertungsschritt
508: Identifizierungsschritt
510: Drehschritt
600: beispielhaftes Verfahren
602: Bestimmungsschritt
604: Bestimmungsschritt
606: Auswertungsschritt
608: Identifizierungsschritt
610: Drehschritt
702: Linie
703: vorbestimmte Rotordrehzahl
704: Linie

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage (10), wobei die Windkraftanlage (10) einen Rotor (18), der wenigstens ein Rotorblatt (22) enthält, und ein Blattverstellantriebssystem (68) aufweist, das mit dem wenigstens einen Rotorblatt (22) gekoppelt ist, wobei das Blattverstellantriebssystem (68) zur Anstellwinkelverstellung des wenigstens einen Rotorblatts (22) eingerichtet ist, wobei das Verfahren aufweist: Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer ersten Variable, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage (10) kennzeichnet; Bestimmen eines tatsächlichen Wertes einer zweiten Variable der Windkraftanlage (10), die mit der zeitlichen Änderungsrate der ersten Variable korreliert ist; und Schätzen eines Auftretens eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage (10) anhand von wenigstens den bestimmten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable, wobei das Schätzen ein Identifizieren einer künftigen Rotordrehzahl auf der Basis der bestimmten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable umfasst, und wobei das Blattverstellantriebssystem (68) auf der Basis des Ergebnisses der Schätzung den Anstellwinkel des wenigstens einen Rotorblatts (22) zum aerodynamischen Bremsen des Rotors (18) verstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Blattverstellantriebssystem (68) den Anstellwinkel des wenigstens einen Rotorblatts (22) zum aerodynamischen Bremsen des Rotors (18) verstellt, wenn das Ergebnis der Schätzung das Auftreten eines Überdrehzahlzustands innerhalb einer vorbestimmten Zeit ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schätzen ein Vergleichen der identifizierten künftigen Rotordrehzahl mit einem vorbestimmten Rotordrehzahlwert aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Variable einer Größe von einer Verbiegung des wenigstens einen Rotorblatts (22), einer Ausgangsleistung der Windkraftanlage (10) oder einer Drehzahl der Windkraftanlage (10) entspricht, wobei die Drehzahl zu einer Drehzahl des Rotors direkt proportional ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, das ferner ein Bestimmen einer Anstellwinkelverstellgeschwindigkeit zum Verdrehen des wenigstens einen Rotorblatts (22) aufweist, wobei die Anstellwinkelverstellgeschwindigkeit wenigstens auf der Basis der bestimmten tatsächlichen Werte der ersten Variable oder der zweiten Variable bestimmt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Blattverstellantriebssystem (68) den Anstellwinkel des wenigstens einen Rotorblatts (22) auf eine derartige Weise verstellt, dass die erste Variable einen Schwellenwert nicht überschreitet.
Verfahren nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der tatsächliche Wert der zweiten Variable der Windkraftanlage durch Berechnung der zeitlichen Änderungsrate wenigstens zweier tatsächlicher Werte der ersten Variable bestimmt wird.
Steuereinrichtung (92) zur Verwendung bei einer Windkraftanlage (10), wobei die Windkraftanlage (10) einen Rotor (18) enthält, der wenigstens ein Rotorblatt (22) enthält, wobei die Steuereinrichtung aufweist: ein Blattverstellantriebssystem (68), das mit dem wenigstens einen Rotorblatt (22) gekoppelt ist, wobei das Blattverstellantriebssystem (68) zur Anstellwinkelverstellung des wenigstens einen Rotorblatts (22) eingerichtet ist; ein Steuersystem (36), das mit dem Blattverstellantriebssystem (68) kommunikationsmäßig verbunden ist, wobei das Steuersystem (36) konfiguriert ist, um: einen tatsächlichen Wert einer ersten Variable, die einen Überdrehzahlzustand der Windkraftanlage (10) kennzeichnet, zu bestimmen; einen tatsächlichen Wert einer zweiten Variable der Windkraftanlage (10), die mit der zeitlichen Änderungsrate der ersten Variable korreliert ist, zu bestimmen; und ein Auftreten eines Überdrehzahlzustands der Windkraftanlage (10) ausgehend von wenigstens den bestimmten tatsächlichen Werten der ersten und der zweiten Variable zu schätzen, wobei das Schätzen ein Identifizieren einer künftigen Rotordrehzahl auf der Basis der bestimmten tatsächlichen Werte der ersten und der zweiten Variable umfasst; und wobei das Steuersystem konfiguriert ist, um das Blattverstellantriebssystem (68) auf eine derartige Weise zu steuern, dass das Blattverstellantriebssystem (68) basierend auf dem Ergebnis der Schätzung den Anstellwinkel des wenigstens einen Rotorblatts (22) zum aerodynamischen Bremsen des Rotors (18) verstellt.
Steuereinrichtung nach Anspruch 8, die ferner ein Sensorsystem (94) aufweist, das mit dem Steuersystem (36) kommunikationsmäßig verbunden ist, wobei das Sensorsystem (94) konfiguriert ist, um wenigstens entweder den tatsächlichen Wert der ersten Variable und/oder den tatsächlichen Wert der zweiten Variable zu messen.
Steuereinrichtung nach Anspruch 9, wobei das Sensorsystem (94) eingerichtet ist, um mit einem drehbaren Teil der Windkraftanlage (10) gekoppelt zu sein, wobei das drehbare Teil mit dem Rotor (18) verbunden ist, um wenigstens entweder den tatsächlichen Wert der ersten Variable und/oder den tatsächlichen Wert der zweiten Variable durch Messen der Drehzahl des drehbaren Teils zu ermitteln.