DE29715248U1

DE29715248U1 - Windenergieanlage

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Publication number: DE29715248U1
Application number: DE29715248U
Authority: DE
Original assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Universitaet Kassel
Current assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Universitaet Kassel
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2007-08-26
Also published as: DE19739162A1

Description

DE 7367 .· Pp ;

Dipiom-IPhy siker

Reinfried Frhr. v. Schorlemer

Karthäuserstr. 5A 34117 Kassel Allemagne

Telefon/Telephone (0561) 15335

(0561)780031

Telefax/Telecopier (0561)780032

Institut für Solare Energieversorgungstechnik - Verein an der Universität Gesamthochschule Kassel e.V., 34119 Kassel

Windenergieanlage

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bekannte Windenergieanlagen dieser Art sind mit Regelvorrichtungen zur Nachführung der Gondelposition entsprechend der jeweiligen Windrichtung versehen, wobei die Gondelverstellung mit Hilfe wenigstens eines in der Gondel montierten Stellglieds erreicht wird, das z.B. aus einem elektrischen Getriebemotor besteht, auf dessen Antriebswelle ein Ritzel befestigt ist, das sich mit einem mit dem Turm fest verbundenen und zur Turmachse koaxialen Zahnrad im Eingriff befindet (US-PS 4 966 525). Zur Stabilisierung dieser Einrichtung in der Sollposition sind in der Regel zusätzlich mechanische Bremsen (sogenannte Azimutbremsen) vorgesehen, die bei konstanter Windrichtung eine Abschaltung der Motoren ermöglichen bzw. ein selbsttätiges Herausdrehen der Gondel aus dem Wind auch bei abgeschalteten Motoren verhindern. Alternativ sind außerdem Stellglieder in Form von hydraulischen Antrieben bekannt (z.B. Georg Böhmeke in "Hydraulic Yaw System for a Megawatt-Scale Wind Turbine", 1996 European Union Wind Energy Conference). Beide Systeme erfordern einen großen konstruktiven Aufwand, da die beteiligten Komponenten (Zahnkränze, Bremsen, Getriebe usw.) beim Betrieb starken Belastungen ausgesetzt sind und daher sehr widerstandsfähig ausgelegt werden müssen. Außerdem hat die durch die Azimutbremsen bewirkte mechanische Kopplung

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zwischen der Gondel und dem Turm zur Folge, daß z.B. durch einseitige Windstöße auf die Gondel ausgeübte Drehschwingungen auch auf den Turm übertragen werden und zu einer verstärkten Beanspruchung im oberen Bereich des Turms führen.

Entsprechende Antriebe werden dazu benötigt, um von Zeit zu Zeit eine Entdrillung der im Turm verlegten, zur Übertragung der elektrischen Energie erforderlichen Kabel zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Windenergieanlage der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß eine Drehung der Gondel in eine vorgewählte Richtung, insbesondere in die jeweilige Windrichtung, mit weniger konstruktivem Aufwand und unter Erzeugung geringerer mechanischer Belastungen als bisher durchgeführt werden kann. Das soll außerdem unabhängig davon möglich sein, ob die Gondel drehbar am Turm gelagert ist oder ob, was auch möglich wäre, die Gondel zusammen mit dem Turm oder einem Teil des Turms um eine im wesentlichen vertikale Achse gedreht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß wegen der frei drehbaren Lagerung der Gondel eine wirksame Entlastung des Turms erzielt wird. Der konstruktive Aufwand wird dadurch reduziert, daß die Drehung der Gondel durch eine entsprechende Verstellung der Blatteinstellwinkel der Rotorblätter erfolgt, wozu die zur Begrenzung der elektrischen Leistung ohnehin häufig vorhandenen und konstruktiv einfachen Rotorblatt-Verstelleinrichtungen verwendet werden können, zu deren Betätigung wegen der großen Rotorumlaufzeiten von z.B. 3 s bei modernen Großanlagen nur vergleichsweise kleine Drehmomente und Verstellgeschwindigkeiten benötigt werden. Vorteilhaft ist ferner, daß die erfindungsgemäße Drehung ohne zusätzliche mechanische Belastung des Turms oder anderer Teile der Windenergieanlage sowie unter zumindest teilweiser Kompensation von betriebsbedingten, zyklischen Belastungen der Rotorblätter und daher häufiger als bisher durchgeführt werden kann. Daraus resultieren eine präzisere Ausrichtung der Gondel zum

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ein geringerer mittlerer Gondelfehler und ein höherer Energieertrag.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: 5

Fig. 1 bis 3 in je einer schematischen Seitenansicht, Vorderansicht und Draufsicht eine herkömmliche Windenergieanlage und ihre verschiedenen Drehachsen;

Fig. 4 eine Darstellung des Schlagbiegemoments und dessen Zerlegung in Nick- und Gierkomponenten;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung für die Windenergieanlage nach Fig. 1 bis 3;

Fig. 6 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Reglerteils für die Gondelposition;

Fig. 7 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Reglerteils zur Kompensation von Nickmomenten des Rotors;
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Fig. 8 bis 10 anhand von Schaubildern den Verlauf verschiedener, im Rahmen der Erfindung bedeutsamer Größen;

Fig. 11 eine Computer-Simulation der erfindungsgemäßen Regelung im Produktionsbetrieb;

Fig. 12 eine Computer-Simulation der erfindungsgemäßen Regelung bei der Durchführung eines außerordentlichen Verstellmanövers; und

Fig. 13 eine Ausführungsform der Blattverstelleinrichtung mit hydraulischem Antrieb.

Nach Fig. 1 bis 3 enthält eine übliche Windenergieanlage einen Turm 1, an dessen oberem Ende eine Gondel 2 um eine im wesentlichen vertikale Achse &zgr; drehbar gelagert

• · &ogr;

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ist, die der Turmachse entspricht. Am Vorderende der Gondel 2 ist ein Rotor 3 um eine im wesentlichen horizontale, zur z-Achse senkrechte Rotorachse &khgr; drehbar gelagert. Der Rotor 3 trägt drei Rotorblätter 4, 5 und 6 mit bei Windenergieanlagen allgemein üblichen Querschnittsformen und mit Längsachsen a, b und c, die hier im wesentlichen senkrecht zur Achse &khgr; angeordnet und um diese Achse &khgr; herum in im wesentlichen gleichmäßigen Winkelabständen von je 120° angeordnet sind. Jedes Rotorblatt 4, 5 und 6 ist einzeln und unabhängig von den anderen um seine Langsachse a, b bzw. c drehbar am Rotor 3 gelagert. Die Blatteinstellwinkel sind, bezogen auf eine von der Bauart des Rotors 3 abhängige Nullposition, nachfolgend mit ft, ß₂ und ß₃ und allgemein mit ft bezeichnet. Außerdem ist der Rotor 3 in Windrichtung vor dem Turm 1, d.h. luvseitig angeordnet, was sich bei großen Windenergieanlagen im Leistungsbereich von 100 kW und mehr allgemein durchgesetzt hat.

Infolge des Winddrucks kommt es zur Ausbildung von parallel zur x-Achse auf die Rotorblätter 4,5,6 wirkenden Schubkräften, die in Fig. 1 bis 3 durch die Einzelkräfte F₁, F₂ und F₃ dargestellt sind.

Insgesamt ergeben sich am Rotor 3 der Windenergieanlage folgende Drehmomente. Zunächst wird das übliche, um die Rotationsachse &khgr; als Drehachse wirksame Antriebsmoment M_Rot (Fig. 2) des Rotors 3 erzeugt, das über die Rotorwelle den mit dieser verbundenen Generator antreibt, elektrische Leistung erzeugt und von den eingestellten Blatteinstellwinkeln ft abhängt. Dies gilt insbesondere auch, wenn alle Rotorblätter 4, 5 und 6 auf konstante und identische Blatteinstellwinkel ft um die Achsen a, b und c eingestellt werden. Sind die Blatteinstellwinkel ft für die drei Rotorblätter 4, 5 und 6 unterschiedlich, dann ergibt sich außerdem ein resultierendes Giermoment M₀J₆₁ (Fig. 3), das die Gondel 2 um die Gier- bzw. Turmachse &zgr; zu drehen versucht, aber keinen Antrieb um die x-Achse erzeugt. Dieses Moment M₀₁₆₁. kann durch Veränderung der Blatteinstellwinkel ft, ß₂ und ß₃ beeinflußt werden und wird erfindungsgemäß u.a. zur Windnachlaufregelung benutzt. Dazu ist die Gondel 2 um die Achse &zgr; frei drehbar, d.h. ohne Anbringung irgendeiner mechanischen Bremse od. dgl. am Turm 1 gelagert.

Schließlich werden die Rotorblätter 4, 5 und 6 durch den Wind bzw. durch die Schubkräfte F₁, F₂ und F₃ um parallele, nahe ihrer Lagerpunkte am Rotor 3 angeordnete und im

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wesentlichen senkrecht zu den Achsen a, b, und c verlaufende Achsen, deren Lagen von der Drehstellung des Rotors 3 abhängig sind, auf Biegung beansprucht. Dadurch entstehen einzelne Biegemomente M_m, M_B2 und M₈₃, die sog. Schlagbiegemomente, die z.B. mit Hilfe von nahe den Wurzeln der Rotorblätter 4, 5 und 6 angeordneten Sensoren bzw. Meßaufnehmern 7 (Fig. T), z.B. Dehnungsmeßstreifen, ermittelt werden können. Aufgrund eines Anstiegs der Windgeschwindigkeit mit der Höhe ist die aerodynamische Schubkraft eines in der oberen Hälfte des Rotorkreises befindlichen Rotorblatts 4 (z.B. F₁) in der Regel höher als die Schubkraft eines in der unteren Hälfte befindlichen Rotorblatts 5 (z.B. F₂). Daher kommt es während eines Rotorumlaufs zu zyklischen Schwankungen der Belastung, die zu einer erhöhten Materialermüdung und einer Verringerung der Lebensdauer der Anlage führen können. Als Maß für diese wechselnde Belastung kann ein resultierendes, durch unterschiedlich große Kräfte F₁, F₂ und F₃ erzeugtes, auf den Rotor 3 wirkendes Nickmoment M_Nick (Fig. 1) um eine im wesentlichen senkrecht zu den Achsen &khgr; und &zgr; stehende Achse y_ dienen. Das Nickmoment dient ebenfalls nicht dem Antrieb des Rotors 3, sondern belastet die Konstruktion der Windenergieanlage, da die Gondel 2 um die y-Achse nicht ausweichen kann.

Die zum Verständnis erforderlichen Teile einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung sind in Fig. 5 dargestellt. Darin sind zunächst die Gondel 2 und der Rotor 3 durch je einen entsprechenden Block repräsentiert. Der Block 3 enthält einen ersten, schematisch dargestellten Ausgang M₀^, der andeuten soll, daß das vom Wind auf den Rotor 3 ausgeübte Drehmoment M₀₆₁ die Gondel 2 um einen Winkel &ggr; um die z-Achse zu drehen versucht. Fin weiterer Ausgang des Blocks 3 ist mit einem Block 8 verbunden, der alle zwischen dem Rotor 3 und einem von diesem angetriebenen Generator 9 befindlichen Getriebe, Wellen, Kupplungen usw. repräsentiert, und deutet an, daß das von den Rotorblättem 4, 5 und 6 erzeugte Drehmoment M_Rot über den Block 8 den Generator 9 antreibt. An einem dritten Ausgang des Blocks 3 kann der mittels eines üblichen Sensors ermittelte Drehwinkel &phgr; (vgl. auch Fig. 2) abgenommen werden, während schließlich an einem vierten Ausgang des Blocks 3 die für die Ermittlung des Nickmoments M_Ni<;k geeigneten, von den Sensoren 7 (Fig. T) erzeugten Ausgangssignale abgenommen werden können.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die aerodynamischen Kräfte des Rotors 3 zur Windrichtungsnachführung bzw. allgemein zur Gondelverstellung auszunutzen. Die

■ ·

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senkrecht zur Rotorebene (yz-Ebene in Fig.2) erzeugten aerodynamischen Schubkräfte hängen von den Einstellwinkeln ß_{ der Rotorblätter ab. Durch getrennte, zyklische Verstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 während jedes Rotorumlaufs wird erreicht, daß ein resultierendes Drehmoment M₀₆₁. bezüglich der Turmachse &zgr; auftritt, das aufgrund der freien Beweglichkeit der Gondel 2 zu einer Verdrehung der Gondel führt. Die Bewegung der Gondel 2 wird dabei so geregelt, daß die Gondelausrichtung nach einer bestimmten Zeit mit einer vorgebbaren Sollposition übereinstimmt. Die Sollposition kann wie bei bekannten Systemen zur Windrichtungsnachführung aus dem Meßsignal eines Windrichtungsmeßgeräts abgeleitet werden.

Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist zu diesem Zweck allgemein wie folgt aufgebaut. Mittels eines die Windrichtung liefernden Meßaufnehmers oder Sensors 10 wird ein Sollwert y_Kf für die Gondelposition erzeugt. Die Ermittlung der Gondelsollposition könnte auch auf andere Weise erfolgen. Zum Beispiel besteht die Möglichkeit, aus anderweitig verfügbaren Meßdaten auf die vorherrschende Windrichtung zu schließen oder die Gondelsollposition unabhängig von der Windrichtung nach anderen Kriterien festzulegen. Der Sollwert y_Ki wird in einem Vergleicher 11 mit einem Istwert &ggr; der Gondelposition verglichen, der z.B. von einem üblichen, in der Gondel 2 montierten Positionsgeber erzeugt wird. Die resultierende Regelabweichung &Lgr;&ggr; wird einem Regler zugeführt. Zur Diskretisierung der Regeldifferentialgleichungen beim Einsatz digitaler Regelgeräte können Standardverfahren benutzt werden (z.B. Rolf Isermann in "Digitale Regelsysteme", Band 1, Springer-Verlag 1988). Der in Fig. 5 durch Blöcke 12 und 13 dargestellte Regler liefert in noch zu beschreibender Weise Stellsignale für Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16, die auf je ein zugeordnetes Rotorblatt 4, 5 bzw. 6 einwirken. Dadurch werden die Rotorblätter 4, 5 und 6 auf solche unterschiedliche Blatteinstellwinkel ß_i (/S₁ für Rotorblatt 4, /S₂ für Rotorblatt 5 bzw. /S₃ für Rotorblatt 6) eingestellt, daß von ihnen unterschiedliche Schubkräfte entwickelt, insgesamt ein Drehmoment M₀₁₆₁ um die z-Achse erzeugt und die Gondel 2 dadurch in die Windrichtung eingestellt wird. Hat die Gondel 2 infolge dieser Regelung die der jeweiligen Windrichtung entsprechende Sollposition erreicht, wird diese Position mittels der Regelvorrichtung aufrecht erhalten.

Damit nicht jede geringfügige und schnelle Änderung der häufig starken Schwankungen unterworfenen Windrichtung in die Regelung eingeht, ist zwischen den Sensor 10 und den

Vergleicher 11 ein Sollwertgeber 17 in Form einer Vorsteuerung für die Gondelposition geschaltet. Die Aufgabe des Sollwertgebers 17 besteht im wesentlichen darin, in an sich bekannter Weise das Ausgangssignal des Sensors 10 zu filtern und ggf. in einen sich nur langsam ändernden Sollwert umzuwandeln. Außerdem kann der Sollwertgeber 17 mit einer Schwellwertschaltung od.dgl versehen sein, die z.B. immer nur dann einen neuen Sollwert am Ausgang des Sollwertgebers 17 erscheinen laßt, wenn sich die Windrichtung um einen vorgewählten Mindestwinkel von z.B. 3° geändert hat und diese Änderung eine vorgewählte minimale Zeitspanne von z.B. einigen Sekunden erhalten bleibt. Zusätzlich kann der durch Filterung des Windrichtungsmeßwerts ermittelte Verlauf des Sollwerts so korrigiert werden, daß die erste und zweite zeitliche Ableitung bestimmte vorgegebene Grenzwerte zu keinem Zeitpunkt überschreiten. Die maximale zweite Ableitung des Positionssollwerts (Drehbeschleunigung) bestimmt die zur Gondelverstellung benötigten Blatteinstellwinkelausschläge, die im Interesse eines geringen Stellaufwands möglichst klein gehalten werden sollen. Die erste Ableitung des Positionssollwerts (Drehgeschwindigkeit) muß ebenfalls begrenzt werden, da die Kreiselkräfte, die die Rotorblätter 4, 5 und 6 belasten, mit der Verstellgeschwindigkeit zunehmen.

Zur Erreichung einer optimalen Flexibilität ist es vorteilhaft, die Regelung mit Hilfe von Microcomputern zu realisieren. Dabei ist es zweckmäßig, die Funktion des Blocks 12 des Reglers in einem im Turm 1 (Fig. 1) oder in der Gondel 2 untergebrachten Rechner zu implementieren, während die übrigen Reglerfunktionen durch einen im Rotor 3 oder dessen Nabe untergebrachten und damit rotierenden Controller od.dgl. realisiert werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß nur wenige Signale von der Gondel 2 in den an ihr drehbar gelagerten Rotor 3 übertragen werden müssen, was z.B. mit Hilfe von Schleifringanordnungen, Funkstrecken od. dgl. erfolgen kann. Dies ist in Fig. 5 durch einen Übertrager 18 dargestellt, der in einer strichpunktiert angedeuteten Trennebene 19 zwischen der Gondel 2 und dem Rotor 3 angeordnet ist.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Windrichtungsnachführung bzw. Drehung der Gondel 2 nicht wie bisher durch motorische Verstellung der Gondel 2, sondern durch eine einzeln und unabhängig voneinander bewirkte Verstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 erfolgt. Dieses wird nach einer besonders bevorzugten, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Rotorblätter 4, 5 und 6 in

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Abhängigkeit von der Regelabweichung &dgr; &ggr; zyklisch verstellt werden. Das bedeutet, daß sich die Verstellung auch in Abhängigkeit von der Drehwinkelstellung des Rotors 3, d.h. in Abhängigkeit vom Winkel &phgr; (Fig. 2) ändert. Mit besonderem Vorteil haben dazu die die Blatteinstellwinkelverstellung bewirkenden Stellsignale einen harmonischen, durch Sinus- bzw. Cosinusfunktionen ausdrückbaren Verlauf, wobei die Periodendauer der Stellsignale mit der Umlaufbewegung des Rotors 3 übereinstimmt. Dies dient, wie weiter unten erläutert ist, vor allem dem Zweck, die Windrichtungsnachfuhrung der Gondel 2 so zu gestalten, daß dadurch keine zusätzlichen Nickmomente auf den Rotor 3 ausgeübt bzw. konstruktionsbedingte, unvermeidbare Nickmomente beseitigt oder zumindest reduziert werden. Unter "zyklischer" Ansteuerung der Rotorblatt-Verstelleinrichtungen ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, daß die Stellsignale auch vom Drehwinkel &psgr; des Rotors 3 abhängen.

Zur Vereinfachung der Regelvorrichtung ist es besonders zweckmäßig, den Block 12 des Reglers, der allgemein als Positionsregler für die Gondel 2 bezeichnet werden könnte, so auszubilden, daß er in Abhängigkeit vom Eingangssignal, der Regelabweichung &Dgr;&ggr;, als Ausgangsgröße ein Signal ß_K erzeugt, das lediglich die Anforderung eines bestimmten, von allen drei Rotorblattern 4, 5 und 6 zu erzeugenden Giermoments beinhaltet. Dem Block 12 braucht daher weder die jeweilige Rotorstellung mitgeteilt werden, noch braucht er ein oder mehrere Ausgangssignale abgeben, die sich zyklisch ändern. Das Signal ß_H entspricht z.B. der maximalen Amplitude, mit welcher die Rotorblätter 4, 5 und 6 um einen voreingestellten BlatteinsteUwinkel zyklisch schwanken sollen, der benötigt wird, um die Regelabweichung auf Null zurückzuführen. Dabei ist der Einfachheit halber angenommen, daß diese Amplitude für alle vorhandenen Rotorblätter 4, 5 und 6 identisch ist, was im allgemeinen besonders vorteilhaft ist.

Ein Beispiel für die praktische Ausführung des Blocks 12 ist in Fig. 6 dargestellt, nach der der Block 12 ein PID-Regler mit je einem Proportionalzweig 19, einem Integralzweig 20 und einem Differentialzweig 21 ist.
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Das Ausgangssignal ß_H des Blocks 12 wird über den Übertrager 18 einem ersten Eingang des Blocks 13 zugeführt, der zur Berechnung der verschiedenen BlatteinsteUwinkel ft anhand des Wertes ß_K und des über einen weiteren Eingang zugeführten Rotorwinkels &phgr;

dient. Im Ausführungsbeispiel gibt der Block 13 an drei Ausgängen je ein Stellsignal in Form eines Sollwerts /3_iref bzw. j3_1>ref, /3₂,_ref und /J_3>ref, ab, der dem Eingang je einer zugeordneten der Verstelleinrichtungen 14, 15 bzw. 16 zugeführt wird. Die Aufspaltung der Größe ß_H in einzelne Blatteinstellwinkel /3; erfolgt daher erst im Block 13. 5

Im beschriebenen Beispiel sind die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 zweckmäßig ihrerseits als Regeleinrichtungen ausgebildet, die die zugeführten Stellsignale /?_iref als Sollsignale erhalten, diese mit entsprechenden Istsignalen der Blatteinstellwinkel ß_t vergleichen und aus der ermittelten Regelabweichung die Blatteinstellung vornehmen. Zu diesem Zweck sind die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 z.B. mit je einem elektrischen oder hydraulischen Antrieb versehen. Die für die Regelung der Verstelleinrichtung benötigten Komponenten bilden daher zusätzlich zu den Blöcken 12 und 13 Bestandteile des eigentlichen Reglers.

Eine Ausführungsform einer hydraulischen Blattverstelleinrichtung ist in Fig. 13 dargestellt. Als Verstellantrieb dient dabei ein hydraulischer Stellzylinder 42, wobei die Längsbewegungen des Kolbens auf einen mit dem Rotorblatt 6 (in Fig. 13 ausgespart) starr verbundenen Verstellring 43 übertragen werden. Für jedes Rotorblatt ist eine separate Verstelleinrichtung vorhanden, so daß die Blatteinstellwinkel der einzelnen Rotorblätter 4, 5 und 6 getrennt und unabhängig voneinander verstellt werden können.

Die Erzeugung der Stellsignale ß_i>Ki erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise nach einer Steuerfunktion, deren Amplitude ß_H in der oben erläuterten Weise vom Block 12 geliefert wird und hier durch die Formel
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(D

gegeben ist, worin i die laufende Nummer der vorhandenen Rotorblätter 4, 5 bzw. angibt, während m die Zahl der vorhandenen Rotorblätter bedeutet. Bei drei Rotorblättern mit Winkelabständen von je 120° ist daher
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fit* - &bgr;_&agr; · Ax (9+Wn (3)

= &bgr;_&EEgr; -sin (&phgr;+240°), (4)

woraus der sinusförmige Verlauf der Blattverstellungen bzw. der Blatteinstellwinkel ft im Zuge einer Umdrehung des Rotors 3 berechnet werden kann. Als Ergebnis werden um einen Mittelwert (hier z.B. 0) schwankende Blatteinstellwinkel ft erhalten. Maximale bzw. minimale Blatteinstellwinkelausschläge ±ß_H ergeben sich, wenn das entsprechende Rotorblatt (z.B. Rotorblatt 4 in Fig. 2) parallel zur positiven bzw. negativen y-Achse, d.h. horizontal, steht. In vertikaler Stellung des entsprechenden Rotorblatts nimmt der Blatteinstellwinkel den Wert des mittleren Blatteinstellwinkels an (hier Null).

Da die an den Rotorblättern 4, 5 und 6 angreifenden Schubkräfte mit zunehmendem Blatteinstellwinkel abnehmen, bedeutet das in Fig. 2, daß die Schubkraftwirkung auf der rechten Seite (negative y-Achse) verringert und auf der linken Seite (positive y-Achse) vergrößert und damit ein resultierendes Drehmoment M₀J₆₁. erzeugt wird, das die Gondel 2 in Fig. 3 von oben betrachtet im Uhrzeigersinn um die z-Achse zu drehen versucht.

Die Vorgabe eines von ß_K unabhängigen Blatteinstellwinkels erfolgt gemäß Fig. 5 mit Hilfe einer weiteren Regelvorrichtung, die als Stellglieder ebenfalls die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16, jedoch als Regler außer dem Block 13 im wesentlichen einen Block 23 enthält, dessen Ausgang über den Übertrager 18 mit einem weiteren Eingang des Blocks 13 verbunden ist und ein Signal ß₀ liefert. Das Signal ft, dient zur Begrenzung der elektrischen Leistung und dem Schutz der Windenergieanlage vor Überlastung und hat eine Verstellung der drei Rotorblätter 4, 5 und 6, ausgehend von ihrer Nullposition, um gleiche Winkel und in demselben Drehsinn zur Folge. Für den Fall, daß /S_H = 0 gilt, nehmen somit alle drei Stell- bzw. Sollwerte ft_>ref den Wert ft, an. Bei ß_H Φ 0 werden die von ß_H abhängigen Sollwerte ft_>ref dagegen um den Wert ß₀ modifiziert, d.h. die durch /3_H zyklisch veränderten Blatteinstellwinkel ft schwanken jetzt nicht um ß₀ — 0, sondern um einen

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durch &bgr;₀ Φ O vorgegebenen mittleren Blatteinstellwinkel. Rechnerisch kann dies dadurch dargestellt werden, daß ß₀ als Summand in der oben angegebenen Gleichung (1) erscheint:

-A⁺Ar-«fr fr* J ⁽⁵⁾

mit der Folge, daß für ß_H = 0 für alle Rotorblätter &bgr;-, = ß₀ gilt.

Im Hinblick auf ß₀ kann, abhängig vom jeweiligen Anlagentyp, auf bekannte Regelungskonzepte zurückgegriffen werden (S. Heier: "Windkraftanlagen im Netzbetrieb", B.G.

Teubner, Stuttgart, 2. Auflage 1996, S. 313ff.). Dies ist in Fig. 5 für Anlagen mit starrer Drehzahl dadurch angedeutet, daß mittels eines geeigneten Meßaufnehmers oder Sensors, der im Generator 9 untergebracht ist, ein den Istwert der erzeugten Leistung P angebendes Signal erzeugt wird. Dieses Istsignal wird in einem Vergleicher 24 mit einem vorgegebenen Sollwert P_ref verglichen. Die ermittelte Regelabweichung &lgr; P wird dem Block 23 zugeführt, der analog zum Block 12 als Regler wirkt, der lediglich einen Mittelwert ß₀ vorgibt, der im Block 13 in Sollsignale für die einzelnen Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 umgewandelt wird. Bei Anlagen mit variabler Drehzahl ist ein weiterer Sensor vorhanden, der ein der momentanen Drehzahl &eegr; entsprechendes Signal liefert, das in einem Vergleicher 25 mit einem entsprechenden Sollwert n&ldquor;_f verglichen wird. Die Regelabweichung An wird ebenfalls dem Block 23 zugeführt, der daher insgesamt als Leistungs- und Drehzahlregler bezeichnet werden könnte und an einem weiteren Ausgang ein Signal M&ldquor;_f liefert, das einem weiteren Stellglied in Form eines Frequenzumrichters 26 zugeführt wird, der die vom Generator 9 erzeugte elektrische Energie frequenzvariabel aufnimmt und mit einer anderen Frequenz, z.B. 50 Hz, in das elektrische Netz einspeist.

In Abhängigkeit von M&ldquor;_f werden in an sich bekannter Weise im Frequenzumrichter 21 enthaltene Leistungsschalter so angesteuert, daß das Drehmoment oder die elektrische Leistungsabgabe des Generators geregelt bzw. beeinflußt wird. Insgesamt erfolgt in diesem Fall die Regelung auf Nennleistung unter Berücksichtigung der variablen Drehzahl n. Zur Realisierung des Blocks 23 kann auf bekannte Regelkonzepte zurückgegriffen werden.

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Die hier angegebene Struktur der Leistungs- und Drehzahlregelung stellt nur eine von vielen möglichen Ausführungsformen dar. So kann z.B. anstelle der elektrischen Leistung auch das Drehmoment des Generators geregelt werden.

Nach einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 schließlich auch als Stellglieder einer dritten Regelvorrichtung verwendet, die dem Zweck dient, schädliche, vom Wind auf die Rotorblätter 4, 5 und 6 bzw. auf den Rotor 3 ausgeübte Belastungen durch Änderungen der Blatteinstellwinkel & zu reduzieren. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Blatteinstellwinkel ßi so zu regeln, daß sie das von allen Rotorblättern 4, 5 und 6 erzeugte Nickmoment reduzieren, ohne dadurch die oben beschriebene Regelung des Windrichtungsnachlaufs für die Gondel 2 wesentlich zu beeinträchtigen. Erreicht wird dies z.B. dadurch, daß die vom Block 13 abgegebenen Stellsignale j8_i>ref entsprechend modifiziert werden. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt auch diese Modifizierung zyklisch und insbesondere mit Hilfe einer harmonischen Steuerfunktion, die eine Amplitude ß_w vorgibt, die in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel &phgr; des Rotors 3 schwankt.

Die Amplitude /3_V könnte z.B. anhand von geschätzten, z.B. aus dem aktuellen Windverhalten abgeleiteten Informationen über das Nickmoment des Rotors 3 ermittelt oder festgelegt werden. Der Anstieg oder Abfall der Windgeschwindigkeit mit der Höhe läßt sich z.B. je nach Geländeform durch einen Höhenwindgradienten beziffern (Comission of the European Communities: "European Wind Atlas", Ris0 National Laboratory, ISBN 87-550-1482-8, Roskilde). Damit ist es möglich, den vertikalen Verlauf der Windgeschwindigkeit abzuschätzen und das Nickmoment mit Hilfe eines aerodynamischen Rotormodells zu bestimmen.

Bevorzugt wird jedoch die aus Fig. 5 ersichtliche Ausführungsform vorgesehen. Darin wird das momentane Nickmoment durch Messung der oben erläuterten Biegemomente ^mbi> ^mb2 ^und Mb₃ (Schlagbiegemomente) der Rotorblätter 4, 5 und 6 mit Hilfe der Sensoren 7 (Fig. T) ermittelt. Es wäre zwar möglich, das Biegemoment nur an einem einzigen Rotorblatt zu messen, doch wäre die Meßgenauigkeit, bezogen auf das Nickmoment, dann geringer. Außerdem ist es nicht notwendig, die Biegemomente in zwei Achsen zu messen. Es genügt vielmehr, eine Bezugsachse zu wählen, die bei einem Blatteinstell-

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winkel von z.B. ca. 5° senkrecht auf der Rotorebene steht. In diesem Fall muß bei Abweichung des Blatteinstellwinkels von diesem Bezugswert der Meßwert um den anteiligen Einfluß des Blatteigengewichts korrigiert werden. Die Kalibrierung der Meßaufnehmer 7 kann vorteilhaft im Leerlaufbetrieb (dem sog. Trudeln) durchgeführt werden, da in diesem Betriebszustand die betreffenden Biegemomente im wesentlichen von dem bekannten Eigengewicht der Rotorblätter abhängen.

Aus den in der yz-Ebene nach Fig. 1 bis 3 erzeugten Schlagbiegemomenten M_B1, M_B2, M₃₃ kann das Nickmoment, wie in Fig. 4 dargestellt ist, durch rechnerische Projektion auf die horizontale y-Achse unter Verwendung der folgenden Berechnungsvorschrift bestimmt werden:

M_Nick = M_B1 cos &phgr; + M₅₂ cos (&phgr; + 120°) + M₈₃ cos ( &phgr; + 240°) (6)

Zur Reduzierung oder Beseitigung eines vorhandenen Nickmoments werden an einem Ausgang des Rotors 3 die von den Sensoren 7 erhaltenen Signale abgenommen und einem Block 28 zugeführt, indem aus ihnen ein dem momentanen Istwert des Nickmoments entsprechendes Istsignal M_Niok gebildet wird. Dieses wird in einem Vergleicher 29 mit einem vorgegebenen Sollwert M_Niet>
ref verglichen, der vorzugsweise auch dem Wert Null entsprechen kann. Die Regelabweichung wird einem Block 30 zugeführt, der an seinem Ausgang analog zum Block 12 ein Signal /3_V abgibt, das lediglich die Anforderung einer bestimmten, von allen drei Rotorblättern 4, 5 und 6 zu erzeugenden Blatteinstellwinkeleinstellung beinhaltet, die geeignet ist, das momentane Nickmoment M_Niok zu reduzieren bzw. weitgehend zu kompensieren.

Eine geeignete Ausführungsform für diese Regelfunktion ist in Fig. 7 dargestellt, wonach der Block 30 ein einfacher Integralregler mit der Verstärkung K₁₂ sein kann, der aus der Regelabweichung &agr;&Mgr;_&ngr;;&lgr; den Wert /?_v bildet. Unabhängig von der Verstärkung ist dieser Regler in der Lage, ein konstantes Nickmoment zu kompensieren. Je größer die Verstärkung gewählt wird, desto empfindlicher reagiert der Regler auf Änderungen des Nickmoments.

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Das Signal ß_v entspricht wie das Signal ß_H einer Amplitude, mit welcher die Rotorblätter 4, 5 und 6 um einen voreingestellten, z.B. durch ß₀ gegebenen Blatteinstellwinkel ft zyklisch schwanken sollen. Dabei ist der Einfachheit halber angenommen, daß diese Amplitude für alle vorhandenen Rotorblätter 4, 5 und 6 identisch sein kann, was im allgemeinen besonders vorteilhaft ist. Das Signal j8_v wird, da die Blöcke 28, 29 und 30 vorzugsweise in der Rotornabe montiert sind, direkt einem weiteren Eingang des Blocks 13 zugeführt, der es in Werte umwandelt, mit denen die oben beschriebenen Stelleinstellsignale ft_ref modifiziert werden. Dabei erfolgt diese Modifizierung vorzugsweise nach einer Steuerfunktion, deren Amplitude von der Größe des zu reduzierenden Nickmoments und dem zeitlichen Verlauf der Umlaufbewegung des Rotors 3 abhängt. Die Steuerfunktion ist wie die für das Giermoment vorzugsweise harmonisch, im Gegensatz zur Formel (1) jedoch durch folgende Cosinusfunktion gebildet:

cos [&phgr; ₊ ], bzw. (7)

V/l

⁺ßv · cos [&phgr; ₊ (8)

wenn zusätzlich die Größe ß_Q verwendet wird.

Daraus folgt, daß sich für die Reduzierung des Nickmoments M_Nick ein cosinusformiger Verlauf der Blattverstellungen ergibt, d.h. die durch das Signal 0_V verursachte Änderung der Blatteinstellwinkelstellungen ist für cos [&phgr; + (i-1) 360° / m] = ± 1 jeweils maximal in dem einen bzw. entgegengesetzten Drehsinn und jeweils 0 für cos [&phgr; + (i-1) 360° / m] = 0°, was z.B. der Fall ist, wenn das Rotorblatt 4 in Fig. 2 die Stellungen <p = 0°, 180° bzw. 90°, 270° einnimmt. Eine Reduzierung eines positiven Nickmoments kann daher z.B. durch Vergrößerung des Blatteinstellwinkels in der oberen Häute des Rotorkreises

nach Fig. 2 erreicht werden, da in diesem Fall die Schubkräfte kleiner werden. Umgekehrt hat eine Reduzierung der Blatteinstellwinkel in der unteren Hälfte des Rotorkreises dort eine Vergrößerung der Schubkräfte zur Folge.

Werden alle drei Signale ß_H, ß_Q und ß_w gleichzeitig benutzt, wird zweckmäßig die folgende Steuerfunktion vorgegeben:

* A ·f

m m

wobei i, m, ß_Oi &bgr;&kgr; und ß_v dieselbe Bedeutung wie in Gleichungen (1), (5) und (7) haben.

Bei Anwendung von Gleichung (9) und der beschriebenen Regelvorrichtung ergibt sich einerseits der Vorteil, daß nur die beiden Signale ß_H und ß₀ von der Gondel zum Rotor 3 übertragen werden brauchen. Andererseits ist es vorteilhaft, daß die zur Reduzierung des Nickmoments erforderliche Einstellung der Rotorblätter 4, 5 und 6 nicht die zur Herstellung des gewünschten Giermoments benötigte Einstellung derselben Rotorblätter 4, 5 und 6 stört. Aus Gleichung (9) ist ersichtlich, daß für ß_K = 0 nur die Gleichung (8) und für |S_V = 0 nur Gleichung (5) verbleibt. Außerdem kann irgendein Rotorblatt 4, 5 bzw. 6, wenn es sich in der Position &phgr; = 0° oder &phgr; = 180° nach Fig. 2 befindet, nur zum Nickmoment um die y-Achse, aber nicht zum Giermoment um die z-Achse beitragen, während umgekehrt ein Rotorblatt 4, 5 bzw. 6, wenn es sich in der SteEung &psgr; = 90° oder &phgr; = 270° befindet, nur zum Giermoment, aber nicht zum Nickmoment beiträgt. Das ist in Gleichung (9) dadurch berücksichtigt, daß die Tenne mit den Ausdrücken sin [&phgr; + (i-1) 360° / m] bzw. cos [&phgr; + (i-1) 360° / m] für bestimmte Winkel &phgr; jeweils unabhängig davon Null werden, ob ß_H, ß_v selbst Null sind oder nicht.

Darüber hinaus kann gezeigt werden, daß sich bei Anwendung von drei Rotorblättern 4, 5 und 6 oder mehr keine gegenseitige Beeinflussung der durch /3_H bzw. 0_&ngr; verursachten Blattverstellungen ergibt. Dies ist in Fig. 8 bis 10 schematisch anhand der mit Gleichung (9) berechneten Werte für die Blatteinstellwinkel ft dargestellt.

Fig. 8 bis 10 enthalten jeweils vier Schaubilder a, b, c und d mit je drei Kurven. Dabei sind die mit einer durchgezogenen Linie gezeichneten Kurven den Rotorblättern 4 bzw. den Blatteinstellwinkeln /S₁ usw., die mit einer gestrichelten Linie gezeichneten Kurven dem Rotorblatt 5 bzw. dem Blatteinstellwinkel ß₂ usw. und die mit einer strichpunktierten Linie dargestellten Kurven dem Rotorblatt 6 bzw. dem Blatteinstellwinkel ß₃ usw. zugeordnet. Die Schaubilder e zeigen jeweils die resultierenden Momente über eine Rotorumdrehung.

Bild a von Fig. 8 zeigt schematisch für ß₀ = 4, ß_v = 1 und ß_H = 0 (entsprechend einer Voreinstellung für die Blatteinstellwinkel ß₀ = 4° bzw. Blatteinstellwinkelamplituden ß_v von jeweils 1 °) mit je einer Kurve den mit Gleichung (9) berechneten Verlauf der Stellwerte jS_lref, j8_2jref und j8_3ref bzw. der diesen Werten folgenden Blatteinstellwinkel B₁, R₂ und B₃. Alle Kurven schwanken zyklisch nach einer Cosinusfunktion um den mittleren Wert &bgr; = 4°, wobei die Kurve für /S₁ in der Position &phgr; = 0° beginnt, in der das zugehörige Rotorblatt 4 parallel zur z-Achse steht (Fig. 2). Entsprechend befinden sich die den Kurven ß₂ und /S₃ zugeordneten Rotorblätter 5 und 6 gleichzeitig in den Stellungen &phgr; = 120° bzw. &psgr; = 240°.

Die Kurven M_B1, M_B2 und M₈₃ in Bild b von Fig. 8 zeigen die zu den Bktteinstellwinkeln nach Bild a gehörigen Schlagbiegemomente. Dabei ist angenommen und vorausgesetzt, daß ein harmonischer Verlauf der Blatteinstellwinkeleinstellung eine annähernd ebenfalls harmonische Änderung der Biegemomente M_B1, M₈₂ und M₅₃ über eine Rotorumdrehung erzeugt, was mit der Praxis gut übereinstimmt. Das mittlere Biegemoment, resultierend aus einer gleichförmigen Windbelastung, bleibt natürlich erhalten. Größere Blatteinstellwinkel führen dabei in der Regel zu kleineren Biegemomenten und umgekehrt, da dem Wind dann weniger bzw. mehr Angriffsfläche geboten wird.

In Bild b von Fig. 8 ist angenommen, daß die Blatteinstellungen nach Bild a zu Biegemomenten führen, die um einen Mittelwert von 1 schwanken und zu Gesamtmomenten von 1 ± 0,1 führen können. Die maximalen und minimalen Werte der Biegemomente betragen daher unter dem Einfluß von ß_v jeweils 1,1 bzw. 0,9.

Die Vektoren der Biegemomente liegen nach Fig. 4 in der yz-Ebene (Rotorebene), so daß

t ·

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sie je eine auf die &zgr;-Achse und die y-Achse bezogene z- bzw. y-Komponente haben, wobei die z-Komponente ausschließlich zum Giermoment und die y-Komponente ausschließlich zum Nickmoment beiträgt. Gemäß Fig. 4 ergibt sich die z-Komponente des Biegemoments von Rotorblatt 4 durch Multiplikation des Biegemoments M₈₁ mit sin<p, die y-Komponente durch Multiplikation mit cos<p. Zur Berechnung der entsprechenden Komponenten für die Biegemomente der Rotorblätter 5 und 6 ist anstelle des Winkels &phgr; der Wert <p+120° bzw. &phgr;+240° einzusetzen.

Da ß_H = 0 vorausgesetzt ist, haben die von j8_v = 1 verursachten Änderungen der Biegemomente im Bild c jeweils Verläufe für die für das Giermoment verantwortlichen z-Komponenten der Biegemomente zur Folge, die z.B. zu einem Wert M_Blz = 0 in der Stellung &psgr; = 0° des Rotorblatts 4 mit sin &phgr; = 0 und z.B. zu einem Wert M_B1;Z = 1,0 in der Stellung &psgr; = 90° des Rotorblatts 4 mit sin &phgr; = 1 führen. Umgekehrt zeigt Bild d, daß die für die Nickmomente verantwortlichen y-Komponenten bei in der Stellung &phgr; — 0 befindlichem Rotorblatt 4 jetzt M_Bly = 0,9 (cos &phgr; = Y) ist, während in der Stellung desselben Rotorblatts 4 bei &phgr; = 90 ° (cos &phgr; = 0) jetzt M_Bi_y = 0 gilt. Für die beiden anderen Rotorblätter 5 und 6 lassen sich die charakteristischen Werte aus den ihnen zugeordneten Kurven entnehmen.

Bild e zeigt schließlich die gemeinsame Wirkung aller drei Rotorblätter 4, 5 und 6 während eines vollen Umlaufs des Rotors 3. Daraus ergibt sich, daß alle drei Rotorblätter 4, 5 und 6 zusammen ein resultierendes Giermoment von 0 (Linie 32) und ein resultierendes Nickmoment von -0,15 (Linie 33) erzeugen. Unter der Voraussetzung ß_y = 1 und ß_H = 0 wird daher erreicht, daß ohne Einfluß auf das Giermoment und die Windnachführung eine Reduzierung eines vorhandenen positiven Nickmoments herbeigeführt wird.

Fig. 9 zeigt analog zu Fig. 8 in Bildern a bis e den Verlauf der entsprechenden Größen, wenn ß₀ = 4, ß_v = 0 und /S₁₁ = 1 gewählt wird. Ein Unterschied ergibt sich nur insoweit, als in Bild a eine Sinusfunktion dargestellt ist. Die Kurve JS₁, für das Rotorblatt 4 beginnt z.B. in dessen Stellung &phgr; = 0° mit R₁ = 0. Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, daß in Fig. 9 das resultierende Nickmoment entsprechend einer linie 34 in Bild e gleich Null ist, während gleichzeitig ein resultierendes Giermoment (linie 35) von -0,15 erhalten wird.

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Fig. 10 zeigt schließlich in Bildern a bis e analog den Fall ß_Q = 4, ß_v = 1 und /3_H = Hier überlagern sich die in Fig. 8 und 9 dargestellten Kurven derart, daß nach Bild e das resultierende Nickmoment (Linie 36) den Wert -0,15, das resultierende Giermoment (Linie 36a) den Wert von -0,3 annimmt. Daraus ist ersichtlich, daß die zur Windnachführung bzw. die zur Reduzierung oder Beseitigung störender Nickmomente beschriebenen

Maßnahmen unabhängig voneinander getroffen werden können. Weiterhin wird durch die beschriebene zyklische Blattverstellung die vom Block 23 in Fig. 5 durchgeführte Leistungsregelung nicht beeinträchtigt, da im zeitlichen Mittel stets der vom Block 23 vorgegebene mittlere Blatteinstellwinkel eingestellt wird. 10

Das beschriebene Verfahren zur Drehung der Gondel 2 kann außer zur unmittelbaren Windrichtungsnachführung auch zur Drehung der Gondel 2 aus anderen Gründen verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verstellung der Gondel 2 kann beispielsweise bei starker Fehlstellung der Gondel 2 eingesetzt werden. Dieser Fall tritt z.B. ein, wenn die Windenergieanlage in Folge einer Flaute oder einer Störung abgestellt werden mußte und anschließend die Windrichtung gewechselt hat. Da die Anlage in diesem Fall durch Windkraft nicht mehr anlaufen kann, wird sie erfindungsgemäß zeitweilig über den Generator 9 angetrieben, um eine zur Verstellung der Gondel erforderliche Mindestdrehzahl des Rotors 3 zu erreichen und aufrechtzuerhalten. Um den motorischen Hochlauf und Betrieb der Anlage zu ermöglichen, ist je nach Generatortyp eine Erweiterung der elektrischen Einrichtung notwendig. Bei Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer genügt z.B. der Einsatz eines Anlaufwiderstands, der so bemessen wird, daß der Generator 9 ein motorisches Anlaufmoment in der Größenordnung von 10% des Nennmoments erreicht. Durch Drehen des Rotors 3 kann die Gondelverstellung unabhängig von der Anströmrichtung auch bei Windstille durchgeführt werden.

Auf dieselbe Weise kann nach einer weiteren Anwendungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gelegentlich eine erforderliche Entdrillung der im Turm 1 verlegten, zur Übertragung der elektrischen Energie erforderlichen Kabel erfolgen, wenn diese z.B. durch mehrfache Umdrehungen der Gondel 2 um die z-Achse in einer Drehrichtung verdrillt wurden und durch mehrfaches Drehen der Gondel 2 um die z-Achse in der

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entgegengesetzten Drehrichtung wieder entdrillt werden müssen. Hierzu kann z.B. der benötigte Entdrillungswinkel von Zeit zu Zeit am Ausgang des Sollwertgebers 17 vorgegeben werden.

Fig. 11 und 12 zeigen die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung am Beispiel von zwei Computer-Simulationen einer großen Windenergieanlage mit einer Nennleistung von 1500 kW. Für beide Simulationen wurden Zeitverläufe der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung vorgegeben. Anhand eines mathematischen Modells der Windenergieanlage und der Regelung wurde das Verhalten der Anlage berechnet. In beiden Abbildungen sind die folgenden Zeitverläufe dargestellt:

die mittlere Windgeschwindigkeit im Rotorkreis (Bild a), die elektrische Leistungsabgabe (Bild b),
die Rotordrehzahl (Bild c)

- die mittlere Windrichtung im Rotorkreis und der Gondelwinkel (d) und

der Einstellwinkel des ersten Rotorblatts 4 (Bild e).

Fig. 11 zeigt das Verhalten der geregelten Windenergieanlage im Produktionsbetrieb bei mittelstarkem bis starkem Wind. Die Regelung wurde dabei so ausgelegt, daß die elektrische Leistung auf ca. 1500 kW begrenzt (Bild b), die Rotordrehzahl auf einen SoUwert von 20 U/min geregelt (Bild c) und die Gondel 2 der mittleren Windrichtung nachgeführt wird (Bild d), wobei die Windrichtung durch eine Kurve 37 und der Gondelwinkel durch eine Kurve 38 angedeutet ist.

Die Simulation zeigt, daß das geforderte Regelverhalten erzielt wird. Insbesondere wird erkennbar, daß die Begrenzung der Leistung und die Nachführung der Gondel 2 gleichzeitig möglich sind. Im Vergleich zu konventionellen, motorischen Windrichtungsnachführungssystemen reagiert das erfindungsgemäße Verfahren wesentlich schneller auf Änderungen der Windrichtung und erreicht dabei höhere Nachführungsgeschwindigkeiten. Bei sehr schnellen Änderungen der Windrichtung erfolgt allerdings keine Nachführung, um die Ausschläge der Blatteinstellwinkel und die mechanische Belastung der Windenergieanlage gering zu halten. Am Verlauf des Blatteinstellwinkles (Bild e) zeigen sich die zur Leistungsbegrenzung erforderlichen Eingriffe durch langfristige Änderungen, während die

zur Gondelverstellung notwendigen Stellausschläge periodisch zur Umlaufzeit des Rotors (ca. 3 s) sind.

Fig. 12 zeigt das Verhalten der geregelten Windenergieanlage bei einem außerordentlichen VersteUmanöver bei schwachem Wind (Bild a). Die Regelung hatte dabei die Aufgabe, die Gondel entsprechend einer Kurve 39 in Bild d mit einer Verstellgeschwindigkeit von 2°/s um 180° aus dem Wind (Kurve 40) zu drehen und nach einer kurzen Pause wieder in die Ausgangsstellung zurückzudrehen. Ähnliche VersteUmanöver sind z.B. notwendig, wenn die Gondel nach einer Flaute sehr ungünstig zum Wind ausgerichtet ist.

Aufgrund der geringen Windgeschwindigkeit und des starken Gondelfehlwinkels wurde in der Simulation davon ausgegangen, daß der Rotor 3 durch den Generator 9 so angetrieben wird, daß sich eine konstante Rotordrehzahl von 13 U/min einstellt. Der motorische Betrieb des Generators ist durch die geringfügig negative Leistung zu erkennen. Die Simulation zeigt, daß das geforderte VersteUmanöver präzise ausgeführt wird. Der vorgegebene Positionsverlauf wird mit hoher Genauigkeit nachgefahren. Die dazu notwendigen Ausschlage des BlatteinsteUwinkels sind sehr gering und bewegen sich im Bereich von ±1°.

Für die verschiedene Meßaufnehmer bzw. Sensoren kann weitgehend auf bekannte Einrichtungen zurückgegriffen werden. Für die Messung der Generatordrehzahl eignen sich z.B. optische Inkrementalaufnehmer. Für die Messung des Rotorwinkels wird z.B. eine Zahnscheibe mit einem induktiven Aufnehmer vorgeschlagen. Die Zahnscheibe ist fest mit der Gondel verbunden und umgibt die RotorweUe. Der induktive Aufnehmer rotiert mit der Nabe und tastet die Zahnscheibe ab. ZusätzUch ist eine spezieUe Markierung, z.B. Zahnlücke, zur Festlegung der NuUposition vorzusehen. Der Gondelwinkel kann schließlich z.B. mit einem Getriebepotentiometer ermittelt werden, das in der Gondel befestigt ist und über einen am Turm befestigten Zahnkranz angetrieben wird. Die Übersetzung muß so gewählt werden, daß 2-3 Gondelumdrehungen je Richtung möglich sind.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. Beispielsweise braucht die Rotorachse &khgr; nicht

genau horizontal angeordnet sein. Vielmehr sind auch Anlagen mit schräg zur Horizontalen stehender Achse bekannt. Entsprechend braucht die Turmachse &zgr; nicht ideal vertikal angeordnet sein. Daher soll die in den Ansprüchen verwendete Wendung "im wesentlichen horizontal" bzw. "im wesentlichen vertikal" alle diese möglichen Abweichungen einschließen. Weiter sind Windenergieanlagen bekannt, bei denen die Gondel 2 fest an einem Turm montiert ist, der seinerseits um die z-Achse drehbar auf einem geeigneten Fundament gelagert ist, oder bei denen ein stationär gelagerter Turm in einem oberen Abschnitt ein drehbares, mit der Gondel 2 fest verbundenes Teil aufweist. Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen benutzten Wendungen "drehbar am Turm 1 gelagerte Gondel 2" bzw. "frei drehbar am Turm 1 gelagerte Gondel 2" sollen daher alle diese möglichen Ausführungsformen umfassen, da es im Hinblick auf die Erfindung unbedeutend ist, ob sich die Gondel 2 als Träger des Rotors 3 allein oder zusammen mit dem Turm 1 oder Teilen davon drehen kann. Weiterhin könnte der Rotor anstatt luv- auch leeseitig angeordnet sein.

Es ist ferner möglich und kann in Abhängigkeit vom Einzelfall auch sinnvoll sein, die vom Block 13 in Fig. 4 erzeugten Sollsignale ß_it _ref mit Hilfe von modifizierten Gleichungen (1), (5) oder (9) so zu definieren, daß sie im Vergleich zu den Rotorwinkeln &phgr;, bei denen die durch sie vorgegebenen Blatteinstellwinkel /3_f tatsächlich erreicht sein müssen, mit einem gewissen zeitlichen Vorlauf erscheinen. Dies könnte insbesondere dann zweckmäßig sein, wenn die zur Blattverstellung verwendeten Einrichtungen eine gewisse Trägheit besitzen und den vorgegebenen Sollwerten nicht beliebig schnell folgen können. Realisiert werden kann ein derartiger zeitlicher Vorlauf z.B. dadurch, daß in den Gleichungen (1), (5) bzw. (9) ein Phasenwinkel <p_R eingeführt wird, der zu einer entsprechenden Phasenverschiebung führt. Weiterhin gelten die beschriebenen Steuerfunktionen nur für den Fall, daß die eingesetzten Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 eingebaute Blatteinstellwinkelregelungen besitzen. Ist dies nicht der Fall, so müssen die Steuerfunktionen an das Verhalten der Verstelleinrichtungen 14, 15 und 16 angepaßt werden. Denkbar ist z.B., daß über die Verstelleinrichtung nicht der Blatteinstellwinkel selbst, sondern die Verstellgeschwindigkeit eingestellt wird. In diesem Fall müßten die angegebenen Steuerfunktionen zeitlich differenziert werden. Dies kann z.B. in Fällen zweckmäßig sein, in denen anstelle von Verstelleinrichtungen in Form von Servo- oder Schrittmotoren solche nach Fig. 13 vorgesehen werden, die hydraulische Antriebe besitzen, wobei die Steuer-

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funktionen auch nicht notwendig harmonisch sein müssen. Wichtig ist in allen Fällen, daß die gewünschte Blatteinstellwinkeleinstellung erreicht wird und die Stellsignale j8_iref diejenigen Signale kennzeichnen, mit deren Hilfe dies ermöglicht wird. Anstelle der durch die Gleichungen (1), (5) und (9) vorgegebenen Steuerfunktionen können z.B. dann auch andere für geeignet gehaltene Steuerfunktionen verwendet werden, wenn Rotoren mit nur zwei Rotorblättern oder nur einem einzigen Rotorblatt vorhanden sind, weil in diesen Fällen bei vertikaler Stellung des Rotors kein Giermoment und bei horizontaler Stellung des Rotors kein Nickmoment erzeugt werden kann und sich daher stets pulsierende Momentverläufe ergeben. Insbesondere Steuerfunktionen, die zwar zyklisch, aber nicht harmonisch verlaufen, können hier zweckmäßig sein, z.B. solche mit dreieckigem oder trapezförmigem Verlauf, wobei zusätzlich zu den Amplituden /3_H und ggf. ß_v noch andere Parameter vorgegeben werden.

Die mit der Größe ß₀ realisierte Leistungsbegrenzung kann auch auf andere Weise als durch eine Blatteinstellwinkeleinstellung vorgenommen werden, in welchem Fall die Größe ß_o in den oben genannten Gleichungen und die zugehörigen Reglerteile in Fig. 5 völlig entfallen könnten. Im Hinblick auf das Nickmoment könnte sich femer als vorteilhaft erweisen, den Sollwert M_Nickref in Fig. 5 nicht auf den Wert Null, sondern auf einen vorgewählten, festen Wert einzustellen. Das dadurch erhaltene Nickmoment könnte bei einem Rotor, der aufgrund seines Gewichts um die y-Achse nach unten drückt, dazu benutzt werden, einen gewissen Ausgleich durch ein entgegengesetztes Nickmoment zu erzielen. Schließlich versteht sich, daß die oben erläuterten Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen verwendet werden können.

Claims

-23- Ansrjröche

1. Windenergieanlage, enthaltend einen Turm (1), eine am Turm (1) gelagerte und um eine im wesentlichen vertikale Achse (z) drehbare Gondel (2), einen um eine im wesentlichen horizontale Achse 00 drehbar an der Gondel (2) gelagerten Rotor (3) mit wenigstens einem um seine Längsachse (a,b,c) drehbar am Rotor (3) gelagerten Rotorblatt (4,5,6), eine Verstelleinrichtung für das Rotorblatt (4,5,6) und eine ein Stellglied aufweisende Regelvorrichtung, mittels derer zur Drehung der Gondel (2) Signale j3_iref erzeugbar sind, die von der momentanen Gondelistposition und einer vorgewählten Gondelsollposition abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gondel (2) frei drehbar am Turm (1) gelagert ist und die Verstelleinrichtung das Stellglied der Regeleinrichtung bildet. 10

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale auch von der momentanen Drehwinkelstellung des Rotors (3) abhängen.

3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) wenigstens zwei drehbar gelagerte Rotorblätter (4,5,6) aufweist, die mit als Stellglieder der Regelvorrichtung ausgebildeten Verstelleinrichtungen versehen sind, wobei die Stellsignale (jS_i>ref) den Verstelleinrichtungen zugeführt werden und von der Gondelistposition und der momentanen Drehwinkelstellung des Rotors (3) abhängig sind.

4. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter (4,5,6) in Abhängigkeit von der Umlaufbewegung des Rotors (3) zyklisch verstellt werden.

5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorblätter in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel (&phgr;) des Rotors (3) harmonisch verstellt werden.

6. Windenergieanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale (ß_i>ref) eine mit der Periodendauer der Umlauf bewegung des Rotors (3) übereinstimmende Periodendauer aufweisen.

7. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Signale (ß_i)ref) Steuerfunktionen verwendet werden, deren Amplituden (Bj₁) aus der Differenz zwischen der momentanen Gondelistposition (7) und einer für die Windrichtung charakteristischen Gondelsollposition (7_ref) erhalten werden.

8. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtungen als Stellglieder einer zweiten Regelvorrichtung ausgebildet sind, durch die die Signale (ß_i)ref) zur Reduzierung des Nickmoments des Rotors (3) in Abhängigkeit von dessen momentaner Drehwinkelstellung modifizierbar sind.

9. Windenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale (ß_iref) zyklisch modifiziert werden.

10. Windenergieanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale (ß_iref) mit Hilfe von Steuerfunktionen modifiziert werden, deren Amplituden (ß_v) eine geschätzte Information über das Nickmoment des Rotors (3) enthalten.

11. Windenergieanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Rotorblatt (4,5,6) mit einem Sensor (7) zur Ermittlung einer für sein Schlagbiegemoment (M_B1,M_B2,M_B3) charakteristischen Größe versehen ist und die Stellsignale (ß_iref) mit Hilfe einer Steuerfunktion modifiziert werden, deren Amplituden (ß_v) von der für das Schlagbiegemoment (M_B1,M_B2,M_B3) charakteristischen Größe abhängen.

12. Windenergieanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Rotorblätter (4,5,6) mit einem derartigen Sensor (7) versehen sind und die Amplituden (ß_v) der Steuerfunktionen von für die Schlagbiegemomente (&Mgr;^,&Mgr;^,&Mgr;^) aller Rotorblätter (4,5,6) charakteristischen Größen abhängen.

13. Windenergieanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (7) Dehnungsmeßstreifen enthalten.

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14. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtungen als Stellglieder einer dritten Regelvorrichtung ausgebildet sind, durch die die Stellsignale (j8_iref) in Abhängigkeit von der Leistung und/oder Drehzahl des Rotors (3) oder anderen Betriebsgrößen der Windenergieanlage zum Zwecke der Begrenzung der elekrischen Leistung oder dem Schutz vor Überlastung der Anlage modifizierbar sind.

15. Windenergieanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellsignale (jS_iref) für alle vorhandenen Verstelleinrichtungen um denselben Wert (ß₀) modifizierbar sind.

16. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die Windgeschwindigkeit für eine Drehung der Gondel (2) zu gering ist, der Rotor (3) durch motorischen Betrieb des normalerweise von ihm angetriebenen Generators (9) zumindest auf eine für den Betrieb der Regelvorrichtung geeignete Drehzahl gebracht oder auf dieser gehalten wird.

17. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Gondel (2) bei Überschreitung einer maximal zulässigen Anzahl von Gondelumdrehungen in einer Drehrichtung durch Vorgabe eines entsprechenden Verlaufs der Stellsignale (0_i>rcf) zur Kabelentdrillung für eine entsprechende Anzahl von Umdrehungen in der entgegengesetzten Drehrichtung durchgeführt wird.