Ветроэнергетическая установка и способ эксплуатации ветроэнергетической установки - RU2742253C1

Чертежи

Описание

Данное изобретение касается способа эксплуатации ветроэнергетической установки. Кроме того, данное изобретение касается такой ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетические установки известны, и они генерируют электрическую мощность из ветра. Однако, если ветер слишком сильный, в частности, если он достигает скорости штормового ветра, то для защиты целесообразно отключать ветроэнергетическую установку и в частности устанавливать ее во флюгерное положение, так чтобы для шторма оставалось максимально мало площади воздействия.

Чтобы предотвратить такое отключение или, по меньшей мере, отсрочить таким образом, чтобы только по возможности позднее, то есть при максимально высоких скоростях ветра действительно необходимо было отключать установку, были предложены некоторые решения, предусматривающие при очень высоких, угрожающих скоростях ветра сначала только снижение числа оборотов или мощности ветроэнергетической установки. Пример этому дан в выложенном описании DE 195 32 409. Там снижается число оборотов и мощность, начиная с более ранней скорости отключения при дальнейшей возрастающей скорости ветра, вместо того, чтобы отключать ветроэнергетическую установку.

Такая регулировка зарекомендовала себя, вместе с тем, могут быть предусмотрены улучшения.

Например, нагрузка ветроэнергетических установок является результатом не только исключительно преобладающей, а именно, измеренной скорости ветра, но также и порывистость ветра может играть роль для нагрузки. Также смена направления ветра может играть роль для нагрузки.

Порывистость можно было бы учесть посредством соответственно быстрого отслеживания характеристических кривых, то есть, если порыв рассматривается только как быстрое изменение скорости ветра. Однако, для этого может быть необходимой быстрое регулирование.

Меняющееся направление ветра может быть учтено с помощью соответствующего изменения угла установки по азимуту. Но и здесь для достижения сокращения нагрузки было бы необходимо быстрое регулирование.

Это ведет к тому, что при таком быстром регулировании как в отношении изменяющейся скорости ветра, так и изменяющегося направления ветра изменяются настройки ветроэнергетической установки, особенно также угол установки лопастей ротора, что, в свою очередь, оказывает влияние на нагрузку.

Более того, современные ветроэнергетические установки все больше имеют большие роторы, диаметры которых могут составлять 140 метров и более. При таких больших диаметрах роторов и соответственно большой площади ротора, а именно, той площади, которая перекрывается лопастями ротора, также играют роль еще и локально меняющиеся скорости ветра.

В результате получается много факторов, которые могут повышать нагрузку ветроэнергетической установки. Также следует учитывать, что чрезмерная нагрузка ветроэнергетической установки автоматически не ведет к аварии, а в гораздо большей степени на общий срок службы ветроэнергетической установки могут оказывать влияние явления усталости. В данном случае ожидаемая штормовая нагрузка и как на нее реагируют, может играть важную роль уже для расчета ветроэнергетической установки.

Для предупреждения этой проблемы можно было бы обеспечить режим эксплуатации ветроэнергетической установки с сниженной нагрузкой таким образом, чтобы был предусмотрен резерв прочности. То есть, ветроэнергетическая установка может эксплуатироваться, например, предусмотрительно с меньшим числом оборотов и меньшей мощностью, чем это было бы наверно необходимо. С помощью такого регулирования могла бы быть обеспечена надежность и расчетный срок службы ветроэнергетической установки, но за это необходимо было расплачиваться нерентабельностью.

Немецкое ведомство по патентам и товарным знакам провело поиск по приоритетной заявке к настоящей заявке и выявило следующий уровень техники: DE 195 32 409 A1; DE 10 2006 034 106 A1; US 2009/0060740 A1; US 2009/0261588 A1; WO 2015/086024 A1 und WO 2017/036481 A1.

Таким образом, в основу данного изобретения положена задача решения, по меньшей мере, одной из описанных проблем. В частности, должно быть предложено решение, при котором ветроэнергетическая установка эксплуатируется при высоких скоростях ветра таким образом, чтобы ветроэнергетическая установка чрезмерно не нагружалась, однако одновременно достигалась максимально большая продуктивность, при этом предпочтительно могли бы учитываться также неоднородности ветра. По меньшей мере, должно быть предложено одно решение, альтернативное известным до настоящего момента решениям.

Согласно изобретению, предлагается способ по пункту 1 формулы изобретения. В соответствии с этим для генерирования электрической мощности из ветра эксплуатируется ветроэнергетическая установка, имеющая аэродинамический ротор с втулкой ротора и с лопастями ротора, регулируемыми по их углу установки. Аэродинамический ротор, кроме того, выполнен с возможностью эксплуатации с переменным числом оборотов. К тому же ветроэнергетическая установка имеет генератор, связанный с аэродинамическим ротором, для генерирования мощности генератора. Кроме того генератор выполнен с возможностью эксплуатации с изменяемым моментом генератора. На момент генератора можно повлиять, например, током возбуждения в роторе генератора.

Для эксплуатации этой ветроэнергетической установки предлагается, чтобы определялась величина нагрузки, которая показывает нагрузку ветроэнергетической установки от ветра. То есть, предлагается не только учитывать скорость ветра, но и непосредственно вычислять величину нагрузки и, таким образом, получать непосредственную информацию о нагрузке ветроэнергетической установки. Затем эта нагрузка может быть непосредственно учтена и нет необходимости учитывать прибавку на надежность или учитывать очень большую прибавку на надежность. Непосредственное определение величины нагрузки позволяет также распознать нагрузку и на основании этого делать оценки о влияниях на оставшийся срок службы.

Итак, предлагается, чтобы число оборотов и/или мощность генератора в режиме нагрузки сокращались в зависимости от предельного значения нагрузки. Как минимум, сокращаются число оборотов и мощность генератора или, по меньшей мере, одна из величин, если величина нагрузки достигает предопределенного предельного значения нагрузки. То есть, нагрузка воспринимается, но сначала не отклоняются от нормального режима работы ветроэнергетической установки. Затем можно включить режим нагрузки. Это может происходить в зависимости от величины нагрузки или также на основании регистрации скорости ветра. Если имеет место режим нагрузки, то в зависимости от величины нагрузки могут быть снижены число оборотов и/или мощность генератора. Особо предпочтительным является снижение обеих величин, поскольку они обе также сокращают нагрузку установки. Однако также особо принимается к рассмотрению уменьшать сначала только одну из обеих и затем, при увеличивающейся нагрузке, уменьшать и другую величину, а затем уменьшать и обе.

В самом простом случае предусмотрено, чтобы просто тогда, когда эта вычисленная величина нагрузки достигла предопределенного предельного значения нагрузки, в режиме нагрузки снижались число оборотов и мощность генератора. То есть, тогда при достижении этого предельного значения нагрузки переходят в режим нагрузки. Задаваемое предварительно предельное значение нагрузки не обязательно должно быть предельным значением, с которого возникает угроза для ветроэнергетической установки, а это предельное значение нагрузки также может быть выбрано меньшим. Обычно это также может означать, или соответственно, содержать в себе, что не сразу одновременно снижаются число оборотов и мощность генератора. Но их снижение предусмотрено в режиме нагрузки, предпочтительно также одновременно и как раз к началу перехода в режим нагрузки.

Для этого предусмотрено, чтобы для определения величины нагрузки использовалась действующая на ветроэнергетическую установку величина силы. Это может быть непосредственно поступательная сила или величина силы, действующая в направлении вращения или направлении изгиба. Это также может означать, что эта действующая на ветроэнергетическую установку величина силы используется непосредственно в качестве величины нагрузки. То есть здесь лежит в основе механическая нагрузка. В данном случае действующая на ветроэнергетическую установку величина силы может быть также обозначена в качестве синонима как действующая на ветроэнергетическую установку механическая нагрузка. Это содержит в себе также изгибающие и вращающие моменты или их комбинации.

В любом случае было обнаружено, что прямое, сокращающее нагрузку или ограничивающее нагрузку регулирование может быть достигнуто, если непосредственно используется действующая на ветроэнергетическую установку величина силы. Тогда из этой величины силы может быть выведена, в общем, четкая нагрузка. При этом такая нагрузка может также поступать на различные компоненты ветроэнергетической установки. Из опытных величин или ранее предпринятых модулирований, при известных обстоятельствах, из нагрузки на особом месте могут быть выведены различные нагрузки на различных местах ветроэнергетической установки. При этом нагрузку, в особенности рассматриваемую величину силы, следует рассматривать как значение не обязательно только статически. Принимаются во внимание также изменения величины силы, которые, например, также могут возникать колебательно. Завися от таких свойств, лежащая в основе величина силы на различных местах ветроэнергетической установки может вести к соответствующим пикам нагрузки.

Действующая на ветроэнергетическую установку величина силы может быть рассчитана, в особенности, из измерений, но при этом также рассматривается, что она составляется из нескольких измерений, или соответственно, для ее определения берутся за основу несколько измерений на различных местах ветроэнергетической установки. Например, у современной ветроэнергетической установки с тремя лопастями ротора может быть предпринято измерение нагрузки на каждой лопасти ротора, и тогда из этих измерений нагрузки на этих трех лопастях ротора может быть определена вся действующая величина силы на другом месте.

Режим нагрузки описывает, в особенности, случай шторма или штормовой режим, в котором возникают скорости ветра, соответствующие шторму, или находящиеся выше. В особенности, такие высокие скорости ветра могут сильно нагружать ветроэнергетическую установку или даже представлять для нее опасность.

Предпочтительно предлагается, чтобы регистрировался изгибающий момент втулки и, чтобы изгибающий момент втулки использовался для определения величины нагрузки или в качестве величины нагрузки. Такой изгибающий момент втулки хорошо пригоден в качестве величины нагрузки особенно потому, что силы, действующие на все лопасти ротора, в целом действуют на втулку и, таким образом, в значительной мере влияют на изгибающий момент втулки. При этом изгибающий момент втулки действует непосредственно вблизи лопастей ротора, которые воспринимают большую часть нагрузки на ветроэнергетическую установку. Кроме того, втулка находится в непосредственной близи к подшипнику ротора и, таким образом, к элементу конструкции, который в значительной мере должен воспринимать нагрузки на аэродинамический ротор и, при известных обстоятельствах, может быть поврежден из-за этого.

Кроме того, изгибающий момент втулки ротора может включать в себя не только абсолютные значения, но и направленные значения.

Особенно в случае шторма могут возникать не только высокие скорости ветра, но при этом также ветер регулярно негомогенный. Скорость ветра может быстро меняться не только со временем, но также и по месту, особенно с высотой. Современные ветроэнергетические установки имеют большие плоскости ротора, и изменяющаяся по плоскости ротора скорость ветра может вести к неравномерным нагрузкам ротора. Это, в свою очередь, может отражаться в изгибающем моменте втулки. Ветроэнергетическая установка порой также может быть сильнее нагружена или подвергаться опасности из-за таких нерегулярных нагрузок, чем только из-за высокой скорости ветра. Таким образом, также рассматривается, что скорость ветра, как критерий нагрузки ветроэнергетической установки, не является очень показательной, поскольку определенная скорость ветра, завися от того, как и как сильно она меняется, может приводить к очень различным нагрузкам, которые не отражаются в одном значении про величину скорости ветра.

С помощью определения фактической величины нагрузки, особенно изгибающего момента втулки, может быть лучше учтена фактическая нагрузка. Особенно может быть учтена нерегулярная нагрузка по полю ротора, и на это можно реагировать более целенаправленно. В особенности, в расчете на величину скорости ветра, может быть раньше или позже уменьшено число оборотов и/или мощность генератора, в зависимости от поля ветра.

Вместо рассмотрения изгибающего момента втулки или в дополнение к этому, для определения величины нагрузки или в качестве величины нагрузки также может быть использован изгибающий момент вала, осевой изгибающий момент и/или изгибающий момент верхней части башни. Описанные для изгибающего момента втулки пояснения и преимущества также могут быть перенесены и на эти моменты сообразно смыслу.

Согласно форме осуществления предлагается, чтобы для регистрации действующей на ветроэнергетическую установку величины силы, в частности, для регистрации изгибающего момента втулки, проводили, по меньшей мере, тензоизмерение на втулке ротора и, кроме того или альтернативно, по меньшей мере, на лопасти ротора, в частности, на или у комля лопасти. Предпочтительно измерение проводят на каждой лопасти ротора, или соответственно, на или у каждого комля лопасти. Предпочтительно там предпринимают соответственно несколько тензоизмерений, в частности, соответственно, два, чтобы, таким образом, иметь возможность зафиксировать различные направления нагрузки.

При этом было обнаружено, что такое измерение нагрузки можно простым образом провести с помощью тензоизмерений, то есть, измерения с помощью, по меньшей мере, тензометрического датчика и зачастую также можно использовать и для других применений. В особенности, такое тензоизмерение может быть предусмотрено для регулировки отдельной лопасти. Но здесь предлагается использовать тензоизмерение, чтобы из этого зарегистрировать действующую в целом на ветроэнергетическую установку величину силы, которая пригодна именно для определения величины нагрузки. То есть так вычисляется величина нагрузки, относящаяся к ветроэнергетической установке в целом, которая затем используется в режиме нагрузки для сокращения числа оборотов и мощности генератора.

Согласно следующей форме осуществления способ характеризуется тем, что определение величины нагрузки происходит с помощью системно-технического алгоритма оценки на основании измерения, являющегося показательным для нагрузки. При этом могут быть использованы также несколько измерений в нескольких местах. При этом под измерением следует понимать, по существу, непрерывное измерение. При этом под непрерывное измерение попадает также и квази-непрерывное измерение, при котором, например, измеряют дискретно с высокой частотой считывания.

В частности, в основе положены тензоизмерения на втулке ротора и, кроме того или альтернативно, на комлях лопастей роторов, или соответственно, в зоне комлей лопастей ротора. Место в зоне комлей лопастей находится, в особенности, на адаптере лопасти, через который соответствующая лопасть ротора закреплена на втулке ротора. Таким образом, эти измерения или, по меньшей мере, одно являющееся показательным измерение, используются в качестве входного сигнала или входной величины для такого алгоритма оценки.

Такой системно-технический алгоритм оценки может иметь форму, в особенности, правила определения, которое знает связь между соответствующим измерением и вычисляемой величиной нагрузки. Например, с помощью тензометрического датчика могут быть измерены нагрузки на комлях лопастей. Отсюда с помощью системно-технического алгоритма оценки определяется изгибающий момент как величину нагрузки. Для этого в основу алгоритма определения, который здесь в этом примере может формировать алгоритм оценки, положена связь между соответствующими нагрузками на комлях лопастей и результирующим изгибающим моментом, а именно, - например, изгибающим моментом втулки.

Такие связи могут быть зафиксированы, например, с помощью являющихся показательными измерений, если в структуре теста измеряются входные и выходные величины, здесь - измерения на комлях лопастей в качестве входных величин и результирующий изгибающий момент втулки в качестве выходной величины, из этого может быть составлена, н-р, известным способом системной идентификации, системная модель для этой связи. Также рассматривается, что такие связи могут быть вычислены с помощью моделирований нагрузки. У таких моделирований нагрузки в основе лежат хорошие модели затронутых элементов ветроэнергетической установки. Например, такие модели могут быть определены по способу с конечными элементами. Связь может быть зафиксирована и учтена для каждой лопасти ротора. Тогда в этом примере получается из нагрузки каждого комля лопасти, обычно здесь можно исходить из трех лопастей ротора и, соответственно, трех комлей лопастей, частичный изгибающий момент втулки по величине и направлению. Этот частичный изгибающий момент втулки может быть учтен или представлен, например, как соответствующий вектор, а именно, - вектор величины силы. Эти три частичных изгибающих момента втулки, если имеется три лопасти ротора, могут быть в виде векторов сложены в общий изгибающий момент втулки.

Предпочтительно, чтобы прийти от изгибающего момента комлей лопастей к моменту втулки, может быть предпринято умножение матрицы. Таковая может быть выведена из равновесия сил.

Но также рассматривается, что и другие силы, особенно силы тяжести, могут быть дополнены к изгибающему моменту втулки. При известных обстоятельствах, при этом высчитывают, насколько сила тяжести в зависимости от положения лопасти ротора действует также на соответственно воспринятую нагрузку на лопасть на комле лопасти. Согласно одному варианту такая весовая нагрузка соответственно с учетом положения лопасти может входить в связь между соответствующей нагрузкой на комель лопасти и результирующим частичным изгибающим моментом. Итак, если, например, лопасть стоит вертикально вверх, то есть в так называемом положении на 12 часов, и на лопасть ротора, в качестве наглядного примера, не действует ветер, то это могло бы означать, что никакой нагрузки на комель лопасти тензометрический датчик не регистрирует. Но из положения лопасти ротора и ее веса известно, что один этот вес уже ведет к изгибающему моменту втулки, и именно это может быть учтено. Альтернативно названные тензометрические датчики могут учитывать такие силы тяжести.

Это - предпочтительный пример также и в отношении использованных измеренных значений. Но, например, также рассматривается, чтобы из нагрузок на комли лопастей определять общую нагрузку на подшипник. Также рассматривается, чтобы регистрировать движения верхней части башни и отсюда делать заключение о нагрузке на верхнюю часть башни.

Согласно следующему варианту, может быть реализован системно-технический алгоритм оценки в качестве регистратора состояния. В этот регистратор состояния в качестве входной величины могут входить являющиеся показательными измерения, или соответственно, по меньшей мере, одно являющееся показательным измерение. Тогда регистратор состояния может содержать в себе модель, которая, например, в качестве выходной величины имеет число оборотов, которое, кроме прочего, получается из нагрузок. При этом модель ведет себя как ветроэнергетическая установка. Путем сравнение выхода числа оборотов этого регистратора и фактического числа оборотов ветроэнергетической установки, которое регулярно измеряется с хорошей точностью, может быть сформирована погрешность регистрации и возвращена к настройке регистратора. Если, например, число оборотов отрегулировано с помощью регулировки угла установки лопасти (изменение угла установки), то сигнал для регулировки угла установки лопасти может формировать следующую входную величину, которая также вводится в модель. Или в качестве другого примера, сигнал регулировки лопасти может формировать отдельную входную величину.

Альтернативно системно-технический алгоритм, или соответственно, регистратор состояния, может быть реализован как фильтр Калмана (Kalman).

Согласно следующей форме осуществления предлагается, чтобы предельное значение нагрузки устанавливалось в зависимости от величины нагрузки, определенной в качестве основной нагрузки при нормальном режиме работы при преобладающем номинальном ветре. То есть, при преобладающем номинальном ветре при нормальном режиме работы, который в данном случае может быть обозначен как номинальный режим, определяется нагрузка. Сначала такая нагрузка может быть записана в моделированиях или также в текущем режиме. Тогда, в зависимости от такого измерения нагрузки, предельное значение нагрузки может быть установлено на более высокое значение, в частности, на вдвое большее значение. Но также могут устанавливать и системно-технические предварительные испытания, насколько больше предельное значение нагрузки по сравнению с основной нагрузкой, которая была установлена при номинальном режиме.

Это имеет то преимущество, что системные ошибки измерений, которые могут вести также к соответствующей неверной величине нагрузки, являются менее проблематичными, поскольку происходит, например, на двадцать процентов слишком малое определение величины нагрузки, то эта погрешность возникает и при определении основной нагрузки. Это ведет, в свою очередь к тому, что используется также предельное значение нагрузки на соответственно двадцать процентов меньшее. То есть тогда вычисленная слишком малой величина нагрузки сравнивается с вычисленным слишком малым предельным значением нагрузки, поэтому результат сравнения, в сущности, все же правильный.

Предпочтительно число оборотов и, кроме того или альтернативно, мощность генератора снижаются в зависимости от зарегистрированной нагрузки. Вычисленная величина нагрузки образует, в данном случае, входную величину для сокращения числа оборотов, или соответственно, мощности генератора.

Это может происходить таким образом, чтобы величина нагрузки не превышала предельного значения нагрузки. То есть, число оборотов и мощность генератора сокращаются с растущей величиной нагрузки, а именно, так, чтобы величина нагрузки не превышала предельного значения нагрузки. Это может происходить, например, при соответствующей регулировке, при которой предельное значение нагрузки используется как заданное значение, а величина нагрузки как фактическое значение. Затем происходит сравнение заданное-фактическое значение, при котором из предельного значения нагрузки вычитается величина нагрузки, и с помощью этого так называемого отклонения регулировки затем алгоритм регулировки может сокращать число оборотов и мощность.

В данном случае также предлагается регулировать величину нагрузки снижением числа оборотов и мощности генератора до границы нагрузки. То есть, может быть предусмотрен регулятор, который сформирован таким образом, чтобы величина нагрузки не превышала предельного значения нагрузки. Это может означать, что величина нагрузки может находиться также далеко ниже предельного значения нагрузки. Например, может быть предложен безопасный интервал, и он может быть реализован таким образом, чтобы вместо предельного значения нагрузки в качестве заданного значения использовалось значение меньше, чем предельное значение нагрузки, например, значение, меньшее на десять процентов.

На случай, если величина нагрузки отрегулирована на предельное значение нагрузки, регулировка пытается, в принципе, также соответственно повысить число оборотов и мощность генератора, если величина нагрузки еще не достигла предельного значения нагрузки.

Согласно форме осуществления предлагается, чтобы число оборотов и мощность генератора сокращалась таким образом, чтобы величина нагрузки не превышала предельное значение нагрузки, и, кроме того, лопасти ротора соответственно регулировались по своему углу установки лопасти в направлении от ветра, и, кроме того, момент генератора не превышал номинальный момент генератора, и, кроме того, момент генератора уменьшался с растущей скоростью ветра.

С помощью регулировки лопастей ротора (изменения угла установки) от ветра сокращается число оборотов, что ведет к разгрузке. Дополнительно снижается угол атаки на лопасти ротора, что также ведет к разгрузке. Дополнительно предусмотрено, чтобы момент генератора не превышал номинальный момент генератора, и, таким образом, предотвращалась соответствующая электрическая перегрузка, а также предотвращается и слишком сильная механическая нагрузка от крутящего момента.

Далее предлагается, чтобы момент генератора уменьшался при растущей скорости ветра, что могло бы привести к повышению числа оборотов, если лопасти ротора не будут в достаточной мере повернуты от ветра. Но поскольку, кроме того, предлагается сокращение числа оборотов, то лопасти ротора поворачиваются соответственно сильно от ветра, чтобы, несмотря на уменьшение момента генератора, следовало сокращение числа оборотов. Как сопутствие тому, что снижается именно момент генератора и сокращается число оборотов, также снижается мощность генератора.

Поскольку скорость ветра не может быть очень точно измерена с помощью обычных приборов измерения ветра, особенно с помощью анемометра гондолы, то здесь может быть предложена оценка скорости ветра. При этом скорость ветра может быть определена из известного угла установки лопасти, установленного момента генератора и результирующего числа оборотов, или соответственно, временной производной числа оборотов. Для улучшения такой оценки скорости ветра предлагается дополнительно учитывать вычисленную величину нагрузки. Такая оценка скорости ветра также может быть предпринята с помощью системно-технического алгоритма оценки.

Согласно форме осуществления предлагается, чтобы число оборотов снижалось в зависимости от вычисленной величины нагрузки, а мощность генератора уменьшалась в зависимости от характеристической кривой число оборотов - мощность, и для этого предлагается, чтобы характеристическая кривая число оборотов - мощность для режима нагрузки отличалась от характеристической кривой число оборотов - мощность для режима частичной нагрузки. В режиме частичной нагрузки ветер настолько слаб, что номинальная мощность генератора не может быть достигнута. То есть, здесь предварительно задается специальная характеристическая кривая число оборотов - мощность, и такая характеристическая кривая число оборотов - мощность обозначает устанавливаемое значение мощности, то есть значение для мощности генератора, соответственно для фактического числа оборотов. Например, в зависимости от величины нагрузки регулировка лопастей ротора может происходить так, чтобы снижалось число оборотов. Тогда устанавливается число оборотов, и в зависимости от этого числа оборотов устанавливается мощность генератора согласно характеристической кривой число оборотов - мощность. Тогда может случиться, что это, в свою очередь, имеет влияние на число оборотов. Тогда может измениться число оборотов, и для измененного числа оборотов может быть снова установлено новое значение для мощности генератора, пока в результате не получится стабильной рабочей точки. Это описание служит пояснению, и обычно описанное регулирование ведет к тому, что регулирование ведет рабочую точку на стабильной точке на характеристической кривой число оборотов - мощность.

Предпочтительно лопасти ротора регулируются в зависимости от величины нагрузки, предпочтительно так, чтобы величина нагрузки регулировалась на постоянное значение. То есть, при возрастающей ветровой нагрузке лопасти дальше поворачиваются от ветра, поэтому вычисленная величина нагрузки в результате не возрастает с увеличивающейся ветровой нагрузкой.

Названную характеристическую кривую число оборотов - мощность для режима нагрузки следует различать с характеристической кривой число оборотов - мощность для режима частичной нагрузки. Также в режиме частичной нагрузки может быть предусмотрено устанавливать соответственно мощность генератора в зависимости от числа оборотов. Но в этом случае является обычным, чтобы лопасти ротора сохраняли постоянный угол установки лопасти, и изменение числа оборотов получается только из изменения ветра. Такая характеристическая кривая число оборотов - мощность в режиме частичной нагрузки может быть положена в основу до тех пор, пока скорость ветра не достигла номинальной скорости ветра, или соответственно, не превысила ее.

Предпочтительно предлагается, чтобы характеристическая линия число оборотов - мощность для режима нагрузки, по меньшей мере, в части диапазона числа оборотов, в частности, в диапазоне числа оборотов от 10 до 90 процентов от номинального числа, имела соответственно более высокое значение мощности, чем характеристическая кривая число оборотов - мощность для режима частичной нагрузки. То есть, характеристическая кривая число оборотов - мощность для режима нагрузки ведет, в сущности, к более высокой мощности при том же числе оборотов по сравнению с режимом частичной нагрузки. Вблизи числа оборотов ноль и рядом с номинальным числом оборотов обе характеристические кривые число оборотов - мощность могут совпадать.

Согласно форме осуществления предлагается, чтобы для подачи электрической мощности генератора электрический ток, выработанный генератором, преобразовывался и подавался в первый промежуточный контур постоянного напряжения. Далее предлагается, чтобы выпрямленный ток от первого промежуточного контура постоянного напряжения подавался во второй промежуточный контур постоянного напряжения. При этом между первым и вторым промежуточным контуром постоянного напряжения расположен повышающий преобразователь. Этот повышающий преобразователь, при известных обстоятельствах, повышает первое постоянное напряжение первого промежуточного контура постоянного напряжения до второго напряжения второго промежуточного контура постоянного напряжения. Далее электрический ток второго промежуточного контура постоянного напряжения преобразуется с помощью инвертора в электрический переменный ток для подачи в электрическую снабжающую сеть. Для этого предлагается, чтобы повышающий преобразователь повышал первое постоянное напряжение до второго постоянного напряжения только для числа оборотов ниже числа оборотов переключения, поэтому тогда второе постоянное напряжение выше, чем первое постоянное напряжение. К этому, в завершении, предлагается, чтобы число оборотов переключения в режиме частичной нагрузки находилось выше, чем в режиме нагрузки.

Благодаря этому может быть достигнуто то, что также запитка электрической мощности, включая специальную регулировку повышающего преобразователя, была приведена в соответствие режиму шторма. Другими словами, в режиме нагрузки только меньший диапазон чисел оборотов использует режим повышающего преобразователя. Таким образом, по отношению к скорости ветра в режиме нагрузки только очень поздно, то есть при очень высоких скоростях ветра, переключают на режим повышающего преобразователя.

Согласно форме осуществления предлагается, чтобы изгибающий момент втулки менялся в зависимости от положения ротора между максимальными и минимальными изгибающими моментами втулки, и для этого предлагается, чтобы величина нагрузки определялась в зависимости от максимальных изгибающих моментов втулки. То есть, при этом меньшие изгибающие моменты втулки отбрасываются, и определяются только максимальные изгибающие моменты втулки. Этим может быть обеспечено то, что также фактически будут учтены большие изгибающие моменты втулки, которые, в конечном счете, являются самыми критическими.

Кроме того или альтернативно предлагается, чтобы величина нагрузки определялась в зависимости от разниц между максимальными и минимальными изгибающими моментами втулки. В этом случае в качестве варианта рассматривается то, чтобы только эти разницы определяли величину нагрузки. В особенности, здесь учитывается то, что при сильных нагрузках из-за вращения ротора также возрастают колебания нагрузки. Например, такие вариации изгибающих моментов втулки могут быть созданы тем, что соответствующая лопасть ротора при прохождении башни, то есть, когда лопасть ротора проходит мимо башни, получает сильное колебание нагрузки, которое также возрастает с возрастающей скоростью ветра. Также и меняющаяся с высотой скорость ветра может быть причиной вариаций изгибающих моментов втулки, или другой величины нагрузки. Для учета также рассматривается использовать такие колебания нагрузки, то есть разницы между максимальными и минимальными изгибающими моментами втулки, дополненные абсолютными значениями изгибающего момента втулки, для определения величины нагрузки.

Кроме того или альтернативно в качестве величины нагрузки могут быть рассмотрены соответственно максимальные изгибающие моменты втулки. То есть, величина нагрузки определяется не косвенно в зависимости от максимальных изгибающих моментов втулки, а максимальные изгибающие моменты втулки непосредственно образуют величину нагрузки. Разумеется, при этом величина нагрузки может быть масштабирована для обработки в процессоре.

Согласно следующему варианту предлагается, чтобы в качестве величины нагрузки рассматривались соответственно разницы между максимальным и минимальным изгибающими моментами втулки. Здесь также эти разницы составляют не только выходные величины, чтобы определить такую величину нагрузки, но и эти разницы используются непосредственно в качестве величины нагрузки. И здесь рассматривается, разумеется, масштабирование.

Согласно изобретению также предлагается ветроэнергетическая установка для генерирования электрической мощности из ветра. Такая ветроэнергетическая установка включает в себя аэродинамический ротор с втулкой ротора и лопастями ротора, которые регулируются по своему углу установки лопасти. К тому же ротор эксплуатируем с переменным числом оборотов. Далее она имеет генератор, связанный с аэродинамическим ротором, которым производится мощность генератора. Генератор эксплуатируем с переменным моментом генератора. Момент генератора, кроме прочего, может быть изменяем таким образом, чтобы менялся ток возбуждения. В данном случае, здесь предусмотрена, в особенности, возбужденная извне синхронная машина.

Далее предусмотрено регистрирующее устройство для определения величины нагрузки, а именно, - величины нагрузки, которая показывает нагрузку ветроэнергетической установки от ветра. То есть, регистрирующее устройство работает так, чтобы оно, например, из измерений или измерения, вычисляло такую величину нагрузки, и эта величина нагрузки являлась затем показательной для нагрузки. Тогда величина нагрузки показывает, например, в зависимости от своего значения, насколько сильно ветроэнергетическая установка нагружена ветром. Кроме того предусмотрено управляющее устройство, подготовленное для того, чтобы сокращать число оборотов и/или мощность генератора в режиме нагрузки. Такой режим нагрузки - это тот, при котором величина нагрузки достигает предопределенного предельного значения нагрузки. Это также может содержать в себе случай, когда величина нагрузки превышает предварительно задаваемое предельное значение нагрузки. Это может быть определением для режима нагрузки. Но также рассматривается, чтобы предельное значение нагрузки образовывало ориентировочное значение для ситуации нагрузки, превышение которого также может быть предусмотрено.

Таким образом, прежде на основании этого может быть распознано, имеет ли место режим нагрузки. Если он имеет место, то тогда управляющее устройство может управлять снижением числа оборотов и мощностью генератора. Это может происходить, например, так, чтобы были выданы управляющие сигналы для регулировки лопастей ротора, поэтому аэродинамический ротор воспринимает меньше мощности ветра, благодаря чему может снижаться число оборотов и, вместе с этим, также мощность генератора. Это может быть преобразовано управляющей техникой так, чтобы для этого предварительно задавалось уменьшенное заданное число оборотов.

Кроме того, регистрирующее устройство подготовлено для того, чтобы для определения величины нагрузки или в качестве величины нагрузки использовать величину силы, действующую на ветроэнергетическую установку. Соответственно регистрирующее устройство может фиксировать информацию для такой величины силы. Такая информация может быть обработана для того, чтобы вычислить такую величину силы. Тогда в зависимости от такой величины силы может быть вычислена величина нагрузки. Альтернативно эта величина силы может представлять собой уже величину нагрузки. Но также рассматривается использовать несколько действующих на ветроэнергетическую установку сил. Тогда отсюда может быть вычислена величина нагрузки. Само использование нескольких действующих на ветроэнергетическую установку сил в качестве величины нагрузки рассматривается, если величина нагрузки, например, векторная и поэтому может содержать в себе несколько сил, например, продольную и поперечную.

Предпочтительно ветроэнергетическая установка подготовлена для выполнения способа согласно, по меньшей мере, одной ранее описанной формы осуществления. В частности, для этого на управляющем устройстве могут быть реализованы соответствующие этапы способа, особенно этапы способа для управления. Кроме того, или альтернативно в регистрирующем устройстве могут быть реализованы этапы способа, в частности, этапы способа для определения величины нагрузки.

Также рассматривается, чтобы ветроэнергетическая установка имела соответствующее аппаратное обеспечение, в частности, измерительные средства для учета физических величин, в частности, электрических и/или механических величин.

Согласно форме осуществления предлагается, чтобы для ветроэнергетической установки для регистрации действующей на ветроэнергетическую установку величины силы, или соответственно, для регистрации изгибающего момента втулки, было предусмотрено, по меньшей мере, средство измерения силы. К тому же предусмотрено, по меньшей мере, соединение, по меньшей мере, от одного средства измерения силы до регистрирующего устройства, чтобы передавать измеренные значения, по меньшей мере, одного средства измерения силы на регистрирующее устройство, чтобы затем в зависимости от этих измеренных значений вычислять величину нагрузки. То есть, средствами измерения силы могут быть измерены соответствующие величины силы, а результаты переданы на регистрирующее устройство. Тогда регистрирующее устройство может вычислить из них величину нагрузки. В качестве соединения, по меньшей мере, от одного средства измерения силы до регистрирующего устройства предусмотрены соответствующие линии, в частности, электрические линии. Они могут быть сформированы также как шина данных или сигнальная шина. Но, в принципе, также рассматривается, чтобы, по меньшей мере, участками использовалась радиосвязь. Особенно передача через поворотное соединение может производиться по радио, оптически или, например, через контактное кольцо или комбинацией из этих возможностей. Также там рассматривается оптическая передача.

В частности, предлагается, чтобы, по меньшей мере, одно средство измерения силы включало в себя тензометрический датчик на втулке ротора и/или на каждой лопасти ротора, или соответственно, на или у комля лопасти. В частности, такие тензометрические датчики составляют средства измерения силы.

То есть, ветроэнергетическая установка может с помощью этих средств измерения силы, в особенности, тензометрическими датчиками фиксировать соответствующие силы и затем из них в регистрирующем устройстве вычислять величину нагрузки. Тогда величина нагрузки зависит непосредственно от таких механических измерений. То есть, здесь анализируются фактически возникающие силы, чтобы из них вычислить величину нагрузки. Тогда величина нагрузки - это, как раз, по возможности, упрощенное или итоговое значение или также вектор сил, но основанные на измерениях силы и поэтому основанные на фактических механических нагрузках.

В данном случае, режим нагрузки - это режим, на который переключают, если ветер настолько силен, что для защиты ветроэнергетической установки должны быть уменьшены число оборотов или мощность генератора. Такой режим нагрузки может быть приведен в действие в зависимости от величины нагрузки, то есть, если величина нагрузки превышает, например, предельное значение введения режима нагрузки, которое может быть идентичным предельному значению нагрузки или иметь другое значение, в частности, меньшее. Но режим нагрузки может быть включен и иным образом, например, в зависимости от зарегистрированной скорости ветра. Также в зависимости от угла установки лопасти может быть включен такой режим нагрузки. В качестве критерия также рассматривается комбинировать такие величины. Особенно рассматривается анализ величины нагрузки и угла установки лопасти.

Далее изобретение в качестве примера более подробно поясняется, на основе примеров осуществления со ссылкой на сопроводительные фигуры:

Фигура 1 показывает ветроэнергетическую установку на изображении в перспективе.

Фигура 2 показывает наглядно поясняющую структуру для регистрации изгибающего момента втулки в качестве величины нагрузки.

Фигура 3 показывает структуру для снижения числа оборотов и мощности генератора в режиме нагрузки.

Фигура 1 показывает ветроэнергетическую установку 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 расположен ротор 106 с тремя лопастями 108 ротора и обтекателем 110 ротора. Ротор 106 при работе приводится ветром во вращательное движение и, таким образом, приводит в действие генератор в гондоле 104.

Фигура 2 символически показывает часть ветроэнергетической установки 200. Эта ветроэнергетическая установка 200 имеет три лопасти 201, 202 и 203 ротора. Они закреплены на втулке, расположенной в гондоле 206. На ней закреплены три лопасти 201, 202 и 203 ротора соответственно через комель 211, 212, соответственно, 213 лопасти. На каждом комле с 211 по 213 лопасти в качестве средства измерения силы расположен тензометрический датчик 221, 222, соответственно, 223 в качестве средства измерения силы. Фигура 2 показывает для каждого комля с 211 по 213 лопасти соответственно тензометрический датчик 221 - 223. Но предпочтительно предусмотрены, по меньшей мере, два смещенные на 90 градусов относительно друг друга тензометрических датчика для каждого комля лопасти. В любом случае каждым тензометрическим датчиком с 221 по 223 вычисляется соответственно величина F₁, F₂, соответственно, F₃ силы. Этими величинами силы могут быть здесь изгибающие моменты, которые получаются соответственно из измеренных значений тензометрического датчика. Эти три величины с F₁ по F₃ силы подаются в регистрирующий блок 230. При этом величины с F₁ по F₃ силы могут быть также векторными величинами, показывающими соответствующие силы на соответствующих комлях с 211 по 213 лопасти по величине и направлению. Эти зарегистрированные таким образом величины с F₁ по F₃ силы сначала регистрируются в регистрирующем блоке 230.

Дополнительно в регистрирующем блоке 230 задаются угол α установки лопасти, число n оборотов и положение β ротора. В случае индивидуальной регулировки лопасти, то есть, если возможно индивидуально регулировать лопасти ротора, а именно, - каждую отдельную лопасть ротора независимо от обеих других лопастей ротора, то вместо одного угла α установки лопасти могут быть также занесены три отдельных угла α₁, α₂ и α₃ установки лопасти.

Для записи этих величин, а именно, - одного или нескольких углов α установки лопастей, числа n оборотов ротора и положения β ротора для наглядности изображен блок 232 управления режимами. Использование этого блока 232 управления режимом эксплуатации также должно наглядно показывать, что названные величины, в принципе, известны при управлении режимом эксплуатации ветроэнергетической установки 200. В данном случае эти величины следует брать только из управления режимом эксплуатации, для которого здесь символично изображен блок 232 управления режимом эксплуатации. Блок 232 управления режимом эксплуатации расположен в верхней области башни 234 только для наглядности. Но обычно управление режимом эксплуатации и, таким образом, и такой блок 232 управления режимом эксплуатации может быть расположен в гондоле 206 и там непосредственно получать эти величины из общего управления режимом эксплуатации.

В любом случае регистрирующий блок 230 рассчитывает из величин, которые были в него введены, соответственно составляющую M_B1, M_B2 и M_B3 изгибающего момента втулки. Эти составляющие M_B1, M_B2 и M_B3изгибающего момента втулки следует относить к зарегистрированным величинам F₁, F₂, соответственно, F₃ силы. Другими словами, соответственно из величины F₁, F₂ или F₃ силы рассчитывается составляющая M_B1, M_B2, соответственно, M_B3 изгибающего момента втулки, которые также могут быть обозначены как изгибающие моменты комлей, и для этого расчета, кроме того, учитываются величины α, n и β, то есть угол α установки лопасти, число n оборотов ротора и положение β ротора. Первый промежуточный результат этого регистрирующего блока 230 - это, таким образом, эти три составляющих с M_B1 по M_B3изгибающего момента втулки, которые также, в особенности, каждая сама по себе может быть представлена как вектор. Каждая из этих составляющих с M_B1 по M_B3 изгибающего момента втулки, таким образом, - это предпочтительно не только одно единственное масштабированное значение, но и вектор, показывающий амплитуду и направление. Эти три величины в объединительном блоке 236 сводятся к одной единственной величине нагрузки, а именно, - на примере Фигуры 2, к общему изгибающему моменту M_B втулки. Этот общий изгибающий момент M_B втулки может быть, например, векторной суммой трех единичных векторов M_B1, M_B2и M_B3, если эти составляющие с M_B1 по M_B3изгибающих моментов втулки соответственно тоже являются векторами. Если этот расчет исходит только из величин, то в объединительном блоке 236 может быть проведено формирование, например, средней величины, упоминая лишь в качестве другого примера.

В любом случае, фигура 2 наглядно показывает, как из измерений силы на комлях с 211 по 213 лопастей с помощью тензометрических датчиков с 221 по 223 может быть вычислена единичная величина нагрузки, здесь именно изгибающий момент M_Bвтулки.

Тогда для управления ветроэнергетической установкой в режиме нагрузки используется вычисленный, как наглядно показано на Фигуре 2, изгибающий момент M_B втулки, например, согласно структуре по Фигуре 3.

В остальном, также могут быть осуществлены тензоизмерения, и затем по основанной на весе калибровке можно судить об изгибающих моментах комлей лопастей. Альтернативно это может быть проведено также в регистрирующем блоке 230.

В структуре регулирования согласно Фигуре 3 предусмотрено, чтобы определенный изгибающий момент M_B втулки вычитался из заданного значения для изгибающего момента M_BS втулки в суммирующем звене 340. Результат - это погрешность регулировки, которая здесь обозначена как отклонение регулировки, а именно, - отклонение e_M регулировки моментов. Это отклонение e_M регулировки моментов затем вносится в PI-регулировочный блок 342, и этот PI-регулировочный блок 342 выдает как результат заданное число n_S оборотов.

Из этого вычисленного таким образом заданного числа n_S оборотов вычитается в суммирующем звене 344 числа оборотов фактическое число оборотов ветроэнергетической установки 300. Результат - это отклонение e_n регулировки числа оборотов. Оно вводится в блок 346 определения угла, который отсюда определяет регулируемый угол α_Sустановки лопасти. В данном случае этот угол α_S установки лопасти - это заданное значение и вводится в ветроэнергетическую установку 300 для соответствующего преобразования для регулировки лопасти.

Ветроэнергетическая установка 300 здесь лишь очень схематично показана как соответствующий блок, подразделенный на зону B угла установки лопасти, зону G генератора и остальную ветроэнергетическую установку W. Таким образом, заданный угол α_S действует на зону 348 лопасти.

Одновременно число n оборотов вводится в блок 350 мощности, который из нее определяет заданную мощность P_S, которая вводится в зону 352 генератора.

В особенности эти два значения, а именно, - заданный угол α_S установки лопасти и заданная мощность P_S, образуют для этого рассмотрения входные величины для ветроэнергетической установки 300. Предусмотрительно обращают внимание на то, что здесь исходят только из одного угла α_S установки лопасти. Разумеется, также рассматривается то, что регулируются индивидуальные углы установки лопастей. Для этого случая угол α_S установки лопасти, который здесь образует выход блока 346 определения угла, может рассматриваться как основной угол, который может быть дополнен соответственно индивидуальными регулировками отдельных углов.

В любом случае результатом ветроэнергетической установки 300 является, по меньшей мере, величина F силы, которая здесь может быть составлена из трех единичных сил F₁, F₂ и F₃ согласно наглядному изображению Фигуры 2. Эта величина F силы затем входит в регистрирующее устройство 354. Регистрирующее устройство 354 может составляться, например, из регистрирующего блока 230 и объединяющего блока 236 согласно Фигуре 2. В данном случае также оба блока, а именно, - регистрирующий блок 230 и объединяющий блок 236 могут быть обозначены как регистрирующее устройство 238.

В любом случае, в итоге, функционирует структура Фигуры 3 следующим образом. Согласно Фигуре 3 в режиме нагрузки вообще сначала работает эта структура. Затем здесь происходит, в принципе, зависящая от нагрузки регулировка таком образом, чтобы изгибающий момент M_B втулки устанавливался на заданное значение изгибающего момента M_BS втулки. Это происходит таким образом, чтобы отклонение e_Mрегулировки моментов с помощью PI-регулятора согласно PI-регулировочному блоку 342 вело к заданному числу оборотов. То есть, если изгибающий момент M_B втулки точно достиг своего заданного значения M_BS, то отклонение регулировки равно нулю, и тогда заданное число оборотов из-за интегральной части в PI-регулировочном блоке 342 удерживается на своем последнем значении.

Преобразование этого заданного числа оборотов в фактическое число оборотов происходит с помощью регулировочного контура, который начинается сравнением заданного с фактическим значением в суммирующем звене 344 числа оборотов. Результат этого сравнения заданного с фактическим значением, а именно, - отклонение e_n регулировки числа оборотов, затем преобразуется через блок 346 управления углом в соответствующий угол, а именно, прежде всего в качестве заданного значения, которое затем преобразуется фактически в зоне 348 лопасти.

Но одновременно предварительно задается мощность в зависимости от числа оборотов согласно характеристической кривой, а именно, - мощность генератора. Соответственно такая зависящая от числа оборотов характеристическая кривая мощности заложена в блоке 350 мощности. Соответственно блок 350 мощности выдает заданное значение для мощности, и это заданное значение P_S преобразуется в зоне 352 генератора. Если это ведет к изменению мощности, то может также меняться число оборотов, и затем мощность дополнительно регулируется по характеристической кривой, и, таким образом, с помощью блока 350 мощности.

Если благодаря этому мощность снижается, то, таким образом, также снижается момент генератора, что, в свою очередь, может привести к повышению числа оборотов. Этому противодействуют в регулировке числа оборотов именно с помощью блока 346 определения угла установки, снижая угол установки лопасти. Но это, в свою очередь, может вести также к изменению нагрузки и, таким образом, к изменению величины F силы. Соответственно, тогда может меняться изгибающий момент M_B втулки, и это может вести через отклонение e_M регулировки моментов и PI-регулировочный блок 342 к изменению заданного числа оборотов.

В любом случае эта структура ведет к тому, что при повышении изгибающего момента втулки, которому противодействуют регулировкой таким образом, что прежде всего, снижается число оборотов, и в зависимости от этого, на основании характеристической кривой в блоке 350 мощности также регулируется мощность, а именно, - сокращается.

Реферат

Изобретение относится к способу эксплуатации ветроэнергетической установки (200) для генерирования электрической мощности из ветра. При этом ветроэнергетическая установка (200) имеет аэродинамический ротор с втулкой ротора и выставляемые по своему углу (α) установки лопасти (201, 202, 203) ротора, и аэродинамический ротор эксплуатируется с переменным числом оборотов, и ветроэнергетическая установка (200) имеет генератор, связанный с аэродинамическим ротором, для генерирования мощности генератора, при этом генератор эксплуатируется с переменным моментом генератора. Способ включает этапы: определение величины нагрузки, показывающей нагрузку ветроэнергетической установки (200) от ветра, и снижение числа оборотов и/или мощности генератора в режиме нагрузки в зависимости от величины нагрузки, при этом для определения величины нагрузки или в качестве величины нагрузки используется, по меньшей мере, величина (F) силы, действующей на ветроэнергетическую установку (200). 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула