DE102011118831A1

DE102011118831A1 - Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einer Energieerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE102011118831A1
Application number: DE102011118831A
Authority: DE
Inventors: Matthias MÖRBE; Dr. Schmidt Ralf; Andreas Quell
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-11-18
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2013-05-23
Also published as: CN104040875A; CN104040875B; US9897073B2; WO2013072005A1; US20140375055A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einer Energieerzeugungsanlage (100) mit einem Antriebsstrang (2-5), einem an einem rotorseitigen Ende (1') des Antriebsstrangs (2-5) angebrachten Rotor (1) und einem über den Antriebsstrang (2-5) angetriebenen, an einem generatorseitigen Ende (6') des Antriebsstrangs (2-5) angebrachten Generator (6), wobei eine Winkeldifferenz zwischen einer ersten Stelle (1') und einer zweiten Stelle (6') des Antriebsstrangs (2-5) über die Zeit ermittelt wird und auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Winkeldifferenz Torsionsschwingungen in dem Antriebsstrang (2-5) durch entsprechende Vorgabe eines Lastmoments (M_G) des Generators und eines Antriebsmoments (M_A) des Rotors (1) gedämpft werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einer Energieerzeugungsanlage, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine entsprechende Energieerzeugungsanlage.
Stand der Technik
Wenngleich die vorliegende Erfindung im Rahmen dieser Anmeldung vornehmlich in Bezug auf Windenergieanlagen beschrieben wird, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern prinzipiell bei allen Arten von Kraftwerken und Anlagen einsetzbar, bei denen Torsionsschwingungen von Wellen, Achsen und dergleichen, insbesondere auch von Wellen und Achsen mit zwischengeschalteten Getrieben, auftreten können.
Antriebsstränge, bestehend aus Komponenten wie beispielsweise Getrieben, Kupplungen und Verbindungselementen (Wellen), sind wichtige Bestandteile verschiedener elektrischer Energieerzeugungsanlagen, wie z. B. von Windenergieanlagen, Wasserkraftanlagen etc. Der Antriebsstrang erfüllt die Aufgabe, eine mechanische Verbindung zwischen einem Antrieb (beispielsweise einem Rotor einer Windenergieanlage) und einem Abtrieb (beispielsweise einem entsprechenden Generator) herzustellen, über welche durch eine Drehbewegung Energie übertragen wird. Antriebsstrangkomponenten, wie Getriebe, dienen dazu, die Drehzahl und das Drehmoment, die am Antrieb anliegen, auf Werte zu übersetzen, die dem Arbeitsbereich des Generators entsprechen. Kupplungen werden bei Bedarf für eine Trennung zwischen An- und Abtrieb genutzt und Wellen stellen die mechanische Verbindung zwischen den beteiligten Komponenten her. Auch weitere Komponenten, wie mechanische Bremsen oder dergleichen, können im Antriebsstrang integriert sein.
Da die beteiligten Komponenten nicht beliebig starr gefertigt werden können, sondern eine endliche Steifigkeit besitzen, können Anregungen zu hohen dynamischen Lasten und Schwingungen führen. Insbesondere können Eigenschwingungen angeregt werden. Eine solche Anregung kann beispielsweise durch eine nicht konstante Eingangsleistung (bei Windenergieanlagen beispielsweise durch Windstöße oder Windturbulenzen), durch äußere Störungen oder durch Eigenbewegungen anderer Anlagekomponenten erfolgen. Auch Schwingungen anderer Herkunft können in Schwingungen im Antriebsstrang resultieren, bei einer Windenergieanlage beispielsweise Turmschwingungen oder Schwingungen aufgrund der Zahneingriffe eines Getriebes.
Schwingungen wirken sich nachteilig auf die Lebensdauer der beteiligten Komponenten, insbesondere des Getriebes, aus. Stetige Schwellbelastungen erhöhen den Verschleiß der betroffenen Bauteile und führen zu kürzeren Austauschintervallen, was eine finanzielle und technische Belastung für den Anlagen- und Netzbetreiber bedeutet und den Anlagenertrag vermindert. Insbesondere unter dem Gesichtspunkt der voraussichtlich zunehmenden Verbreitung von Windenergieanlagen im Offshore-Bereich in absehbarer Zukunft spielt dieser Aspekt eine immer größere Rolle, da der Austausch beschädigter Komponenten dort weiter erschwert wird. Es ergibt sich daher das Ziel, diese dynamischen Anregungen zu erkennen und insbesondere Schwingungen zu reduzieren, um die Lebensdauer der Komponenten zu erhöhen.
Aus der WO 2011/072820 A2 ist ein Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einer Energieerzeugungsanlage mit einem Antriebsstrang, einem an einem rotorseitigen Ende des Antriebsstrangs angebrachten Rotor und einem über den Antriebsstrang angetriebenen, an einem generatorseitigen Ende des Antriebsstrangs angebrachten Generator bekannt, wobei unter Verwendung einer Winkellage des Antriebsstrangs an seinem generatorseitigen Ende und einer Winkellage des Antriebsstrangs an seinem rotorseitigen Ende ein auf den Antriebsstrang wirkendes Torsionsmoment ermittelt wird, wobei Torsionsschwingungen durch entsprechende Regelung des Generators gedämpft werden.
Dieses Verfahren soll weiter verbessert werden. Insbesondere sind Regelungskonzepte wünschenswert, welche zu einer ausreichenden Dämpfung der Torsionsschwingungen führen. Auch wäre es vorteilhaft, entsprechende (insbesondere kostengünstige und serientaugliche) Sensoren zur Verfügung zu haben, die insbesondere auch zur Nachrüstung existierender Antriebsstränge geeignet sind.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einer Energieerzeugungsanlage, eine Recheneinheit zu dessen Durchführung sowie eine Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, durch gleichzeitige Beeinflussung von Antriebs- und Lastmoment Torsionsschwingungen weitgehend zu unterdrücken. Das Antriebsmoment wird über den Rotor, das Lastmoment über den Generator beeinflusst. Im Rahmen dieser Anmeldung sei unter ”Rotor” der beispielsweise durch Wasser oder Wind beaufschlagte und angetriebene Teil einer Energieerzeugungsanlage bezeichnet. Der bewegte Teil des Generators wird hingegen mit dem Begriff ”Läufer” bezeichnet.
Im Rahmen der Erfindung wird ein Torsionswinkel zwischen zwei Stellen des Antriebsstrangs bestimmt. Als Torsionsschwingungen werden Veränderungen des Torsionswinkels über die Zeit verstanden. Wann immer im Rahmen dieser Erfindung von Vorgabe, Einstellung, Beeinflussung oder Steuerung die Rede ist, kann es sich dabei um eine Steuerung im offenen oder geschlossenen Regelkreis handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Antriebsmoment so beeinflusst, bspw. durch entsprechende Einstellung von Pitchwinkeln von Rotorblättern, dass es Beschleunigungen und Verzögerungen des Rotors entgegenwirkt, so dass die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors im Wesentlichen konstant bleibt. Dies führt zu einer Reduzierung von Lastspitzen im Antriebsstrang, insbesondere in einem Getriebe. Das mittlere Antriebsmoment nähert sich dem maximalen Antriebsmoment, was den Energieertrag erhöht. Erhöht sich die Rotationsgeschwindigkeit, wird das Antriebsmoment reduziert und umgekehrt.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Lastmoment so beeinflusst, bspw. durch Laden/Entladen von Zwischenkreiskapazitäten oder durch Veränderung eines Erregerstroms durch den Läufer, dass es Veränderungen des Torsionswinkels entgegenwirkt, so dass der Torsionswinkel im Wesentlichen konstant bleibt. Dies führt weiter zu einer Reduzierung von Lastspitzen im Antriebsstrang, insbesondere in einem Getriebe. Der Energieertrag wird erhöht. Erhöht sich der Torsionswinkel, wird das Lastmoment reduziert und umgekehrt.
Eine einfache Möglichkeit zur Detektion des Torsionswinkels bietet die Verwendung von Winkelsensoren mit Rotationselement und Erfassungseinheit (vgl. 2), wobei das Rotationselement über seinen Umfang verteilte Markierungen aufweist, die von der Erfassungseinheit abgetastet werden. Es kann sich bei dem Rotationselement insbesondere um ein Polrad, Segmentrad, Zahnrad, eine Teilscheibe usw. handeln. Diese Sensoren eignen sich besonders für die Drehzahlbestimmung. Ändert sich die Frequenz der erfassten Markierungen, ist dies unmittelbar auf eine Drehzahländerung zurückzuführen. Aus dem zeitlichen Unterschied (Phasenverschiebung) zwischen den rotorseitig und generatorseitig erfassten Markierungen kann auf einfache Weise der Torsionswinkel bestimmt werden. Ändert sich die Phasenverschiebung, ist dies unmittelbar auf eine Änderung des Torsionswinkels zurückzuführen. Auf diese Weise können die oben angesprochenen Steuerungen zum Konstanthalten der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und/oder des Torsionswinkels besonders vorteilhaft unter Verwendung solche Sensoren realisiert werden.
Besonders vorteilhaft für die Nachrüstung eignen sich Signalbänder, welche eine Anzahl von Markierungen (bspw. magnetische Elemente, Farbelemente, Stanzelemente) aufweisen. Diese Signalbänder können an den jeweiligen Stellen, bspw. rotor- und/oder generatorseitig, um den Antriebsstrang gespannt werden. Eine zugehörige Erfassungseinheit (magnetisch, optisch, induktiv usw.) wird so befestigt, dass sie die Markierungen auf dem Signalband erfassen kann.
Geeignete Sensoren umfassen bspw. ein mit permanenten Strukturen (z. B. permanentmagnetisch) versehenes Rotationselement sowie eine Erfassungseinheit, die ein vom Rotationselement ausgehendes Signal erfasst, wie bspw. ein Magnetsensor (bspw. Hallsensor oder GMR-Sensor), der ein von den Strukturen des Rotationselement ausgehendes Magnetfeld erfasst. Ebenso bevorzugt sind Sensoren, die bspw. Erfassungseinheiten aufweisen, die selbst ein Signal erzeugen und eine vom Rotationselement verursachte Signalstörung erfassen (wie bspw. Magnete zusammen mit Magnetsensoren), wobei hier das Rotationselement das von der Erfassungseinheit erzeugte Magnetfeld beeinflusst. Ein geeignetes Rotationselement kann hier ein metallisches, vorzugsweise ferromagnetisches Zahnrad, ein Lochband u. ä. sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich der Torsionswinkel in einer von dem Rotor direkt (ohne Übersetzung) angetriebenen Welle bestimmt, um so das Eingangsdrehmoment in der Welle zu ermitteln. Das Eingangsdrehmoment spiegelt die unmittelbare Belastung des Antriebsstrangs infolge eines turbulenten Windfeldes wider. Im Gegensatz dazu wird der Torsionswinkel zwischen Eingangs- und Ausgangswelle durch die Last am Generator und weitere Anregungen beeinflusst.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftwerks, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u. a. m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine Energieerzeugungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Energieerzeugungsanlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht den grundlegenden Aufbau einer Energieerzeugungsanlage 100, die zur Durchführung der Erfindung eingerichtet ist. Die Energieerzeugungsanlage 100 ist als Windenergieanlage mit einem Rotor 1 und einem elektrischen Generator 6 ausgebildet, die durch einen Antriebsstrang aufweisend eine Rotorabtriebswelle 2, ein Getriebe 3, eine Kupplung 4 und eine Generatorantriebswelle 5 mechanisch miteinander verbunden sind. Der Rotor 1 ist an einem rotorseitigen Ende 1' des Antriebsstrangs 2-5, der Generator 6 an einem generatorseitigen Ende 6' angebracht. Zwei Lagegeber bzw. Winkelsensoren 7, 8 an der Rotor- 1' und der Generatorseite 6' ermitteln die Winkellagen f_R (Rotor 1) und f_G (Generator 6), die an eine Recheneinheit 9 übermittelt werden. Die Recheneinheit ist programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. In der Recheneinheit 9 wird auf Grundlage der Sensorsignale eine Steuerung des Generator-Lastmoments M_G sowie des Rotor-Antriebsmoments M_A durchgeführt.
Es ist ein weiterer Winkelsensor 10 an der Rotorabtriebswelle 2 beabstandet vom Winkelsensor 7 vorgesehen. Aus den Sensorsignalen der Sensoren 7 und 10 kann ein Drehmoment des Rotors 1, insbesondere ebenfalls in der Recheneinheit 9 bestimmt werden, aus den Sensorsignalen 10 und 8 kann ein Torsionswinkel über das Getriebe 3 (und, die Kupplung) bestimmt werden, aus den Sensorsignalen 7 und 8 kann ein Torsionswinkel über den ganzen Antriebsstrang 2-5 bestimmt werden.
Die Sensoren 7, 8 und 10 sind im vorliegenden Beispiel zur einfachen Nachrüstung geeignet und weisen ein als Signalband ausgebildetes Rotationselement und eine Erfassungseinheit auf. Das Signalband kann bspw. ein magnetisches Polband oder ein Lochband sein und wird um die betreffende Welle gespannt.
Im vorliegenden Beispiel liefern die Sensoren 7 und 8 bspw. je ein Rechtecksignal. Der Flanke-Flanke-Abstand ”Phasenverschiebung” entspricht der Winkeldifferenz bzw. dem Torsionswinkel Δf = f_R – f_G. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Markierungen (”Frequenz”) entspricht der Drehzahl. Durch eine oder mehrere fehlende Markierungen bzw. Durch Doppel- oder Mehrfachmarkierungen kann eine Absolutbestimmung des Drehwinkels erfolgen. Vorteilhaft kann ein Zählen der Markierungen auch für Korrekturalgorithmen zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen genutzt werden. Dadurch wird das Messergebnis genauer als bei einer reinen Frequenzmessung.
Ändert sich die Frequenz der erfassten Markierungen, ist dies unmittelbar auf eine Drehzahländerung zurückzuführen. Ändert sich die Phasenverschiebung, ist dies unmittelbar auf eine Änderung des Torsionswinkels zurückzuführen. Auf diese Weise können die vorteilhaften Steuerungen zum Konstanthalten der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors und/oder des Torsionswinkels durch entsprechende Steuerung des Generator-Lastmoments M_G sowie des Rotor-Antriebsmoments M_A besonders vorteilhaft realisiert werden.
In 2 sind schematisch die zwei Winkelsensoren 7 und 8 dargestellt, anhand derer im Folgenden eine bevorzugte Möglichkeit zur Bestimmung der Winkeldifferenz bzw. des Torsionswinkels Δf dargestellt ist. Die Sensoren 7 und 8 weisen in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform je ein als Signalband 11 ausgebildetes Rotationselement sowie eine zugehörige Erfassungseinheit 12 auf. Das Signalband 11 kann beispielsweise magnetische Pole aufweisen, die von einer magnetischen Erfassungseinheit 12 abgetastet werden. Das sich ergebende Signal kann beispielsweise jeweils ein Rechtecksignal sein, wie es in 2 dargestellt ist.
Aus dem Flanke-Flanke-Abstand kann, wie beschrieben, die Winkeldifferenz Δf bestimmt werden. Zusammengehörende Flanken können insbesondere durch eine absolute Zuordnung der Signalbänder bestimmt werden. Eine solche absolute Zuordnung ist beispielsweise aus der Automobiltechnik (”Fehlende Zähne”; z. B. ein Polrad mit 58 Zähnen (”60-2 Zähne”)) im Zusammenhang mit der Bestimmung des Kurbelwellenwinkels bekannt. Beispielsweise kann eine 0°-Position definiert werden, welche beispielsweise mit der Position eines Rotorblatts korreliert ist.
Variiert der Abstand zweier Flanken desselben Sensors, entspricht dies einer Veränderung der Drehzahl; variiert der Abstand zweier Flanken unterschiedlicher Sensoren, variiert der Torsionswinkel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/072820 A2 [0006]

Claims

Verfahren zur Dämpfung von Torsionsschwingungen in einer Energieerzeugungsanlage (100, 200) mit einem Antriebsstrang (2-5), einem an einem rotorseitigen Ende (1') des Antriebsstrangs (2-5) angebrachten Rotor (1) und einem über den Antriebsstrang (2-5) angetriebenen, an einem generatorseitigen Ende (6') des Antriebsstrangs (2-5) angebrachten Generator (6), wobei eine Winkeldifferenz zwischen einer ersten Stelle (1') des Antriebsstrangs (2-5) und einer zweiten Stelle (6') des Antriebsstrangs (2-5) über die Zeit ermittelt wird und auf Grundlage des zeitlichen Verlaufs der ermittelten Winkeldifferenz Torsionsschwingungen in dem Antriebsstrang (2-5) durch entsprechende Vorgabe eines Lastmoments (M_G) des Generators und eines Antriebsmoments (M_A) des Rotors (1) gedämpft werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Winkeldifferenz zwischen dem rotorseitigen Ende (1') und dem generatorseitigen Ende (6') des Antriebsstrangs (2-5) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Winkeldifferenz über einem Getriebe (3) des Antriebsstrangs (2-5) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Winkeldifferenz über einer direkt vom Rotor (1) angetriebenen Welle (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei aus der Winkeldifferenz ein Drehmoment bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Antriebsmoment (M_A) des Rotors (1) so gesteuert wird, dass einer Rotationsbeschleunigung oder -verzögerung des Rotors (1) entgegengewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Lastmoment (M_G) des Generators (6) so gesteuert wird, dass einer Veränderung der Winkeldifferenz entgegengewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung eines Antriebsmoments (M_A) des Rotors (1) eine Steuerung wenigstens eines Pitchwinkels eines Rotorblatts umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Steuerung eines Lastmoments (M_G) des Generators (6) eine Steuerung eines Erregerstroms durch eine Läuferwicklung des Generators umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Erfassung der Winkeldifferenz ein Winkelsensor (7, 8, 10) an der ersten Stelle (1') auf dem Antriebsstrang (2-5) und ein weiterer Winkelsensor (7, 8, 10) an der zweiten Stelle (6') auf dem Antriebsstrang (2-5) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei wenigstens ein Winkelsensor (7, 8, 10) mit wenigstens einem Rotationselement (11) und einer Erfassungseinheit (12) verwendet wird, wobei das Rotationselement (11) über seinen Umfang verteilte Markierungen aufweist, die von der Erfassungseinheit (12) abgetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine absolute Winkelposition aufgrund einer Markierungsunregelmäßigkeit auf dem Rotationselement (11) bestimmt wird.
Recheneinheit (9), insbesondere Steuereinrichtung einer Energieerzeugungsanlage (100), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
Energieerzeugungsanlage (100) mit einem Antriebsstrang (2-5), einem an einem rotorseitigen Ende (1') des Antriebsstrangs (2-5) angebrachten Rotor (1), einem über den Antriebsstrang (2-5) angetriebenen, an einem generatorseitigen Ende (6') des Antriebsstrangs (2-5) angebrachten Generator (6) und einer Recheneinheit (9) nach Anspruch 13.
Energieerzeugungsanlage (100) nach Anspruch 14, mit wenigstens zwei Winkelsensoren (7, 8, 10), von denen wenigstens ein Winkelsensor (7, 8, 10) an der ersten Stelle (1') des Antriebsstrangs (2-5) und wenigstens ein anderer Winkelsensor (7, 8, 10) an der zweiten Stelle (6') des Antriebsstrangs (2-5) angeordnet ist.
Energieerzeugungsanlage (100) nach Anspruch 15, wobei wenigstens einer der wenigstens zwei Winkelsensoren (7, 8, 10) wenigstens ein Rotationselement (11) mit über dessen Umfang verteilten Markierungen, mit vorzugsweise wenigstens einer Unregelmäßigkeit, und eine Erfassungseinheit (12) zum Abtasten der Markierungen aufweist.
Energieerzeugungsanlage (100) nach Anspruch 16, wobei das wenigstens eine Rotationselement (11) ein Polrad, ein Segmentrad, ein Zahnrad, eine Teilscheibe oder ein Signalband ist.