(57)【要約】      （修正有）【課題】部分的負荷範囲における風ロータの効率を最適化するために、一定速度で主回路網に接続される発電機の制御システムを提供する。【解決手段】少なくとも３つの制御レベルを持ち、第１制御レベルは風ロータと、風ロータにより駆動され、第１および第２動力分岐路を持つ動力分割ギアと、第１動力分岐路から動力を受け、第２動力分岐路を介して動力分割ギアへ動力のフィードバックを行う反動部材を備えた油圧速度変換器と、一定のシステム周波数で回路網への電力を発生する発電機とから成り、動力分割ギアと油圧速度変換器との組合せは最適効率速度の場合に風ロータの入力に対応し、第２制御レベルは、ロータブレードの角度位置と反動部材と発電機のパワーエレクトロニクスのためのコントローラから成り、第３制御レベルは、風力発電プラントの操作状態と回路網と風特性に依存して、第２制御レベルのコントローラを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つの制御レベルを持つ風力発電プラントにおいて、第１制御レベルは風ロータと、風ロータ（３）により少なくとも間接的に駆動され、第１動力分岐路および第２動力分岐路（７、１８）から成る動力分割ギア（５）と、
第１動力分岐路（７）から動力を受け、反動部材（１５）の設定に依存して第２動力分岐路（１８）を介して動力分割ギア（５）へ動力のフィードバックを生じる少なくとも１つの反動部材（１５）を備えた油圧速度変換器（１２）と、第１動力分岐路（７）により少なくとも間接的に駆動され、一定のシステム周波数で回路網への電力を発生する発電機（１１）とから成り、第１制御レベルの動力分割ギア（５）と油圧速度変換器（１２）との組合せは、その特性において最適効率速度案内の場合に風ロータ（３）の入力に実質的に対応し、油圧速度変換器（１２）の反動部材（１５）の設定は第１制御レベルで制御され、第２制御レベルは、ロータブレードの角度位置のためのコントローラおよび／または油圧速度変換器の反動部材を設定するコントローラおよび／または発電機のパワーエレクトロニクスのためのコントローラから成り、第３制御レベルは、風力発電プラントの操作状態および／または回路網および／または風特性に依存して、第２制御レベルのコントローラを活動および不活動にし、および／または第２制御レベルのコントローラにウエイトをかけ、および／または第２制御レベルのため目標特性を設定する前記風力発電プラント。
【請求項２】
第２制御レベルのコントローラは、好ましくは、通常操作状態および部分的負荷条件のために不活動にされ、ロータブレードの角度位置および油圧速度変換器の反動部材の設定は固定設定値をとり、油圧速度変換器の反動部材の設定は、風ロータの速度案内が実質的に最適効率となり発電機速度が実質的に一定となるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項３】
油圧速度変換器の反動部材の設定のためのコントローラは、通常の操作において風ロータの固定速度閾値外で活動され、風ロータの速度は設定値または設定値範囲をとることを特徴とする少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項４】
風ロータのための設定速度値または速度値範囲は、第３制御レベルにより決定されることを特徴とする請求項３に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項５】
風ロータの決定速度は実質的に一定値または一定値範囲をとることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項６】
風ロータ速度の決定値または値範囲は、風ロータに当るモーメントに依存して決定されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項７】
ロータブレードの角度位置のためのコントローラおよび油圧速度変換器の反動部材を設定するコントローラは、全負荷の下で通常操作中に活動されることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項８】
発電機のパワーエレクトロニクスのコントローラは、動力および／または反作用動力のための回路網要求の場合にだけ活動されることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項９】
第２制御レベルのコントローラは、徐々の移行が一方の操作状態または操作条件から他方の操作状態または操作条件で生じるようにして、活動され、不活動されることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項１０】
第３制御段階により考慮され、定義される操作状態は、始動段階と、同期段階と、停止段階と、負荷分配と、短絡回路と、反作用動力要求と、動力減少とから成ることを特徴とする請求項１に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項１１】
少なくとも、放物線動力入力下で部分負荷での操作状態および全負荷での操作状態が存在することを特徴とする請求項１乃至請求項１０に記載の少なくとも３つの制御レベルを備えた風力発電プラント。
【請求項１２】
風力発電プラントの制御方法において、風ロータと、風ロータにより少なくとも間接的に駆動され、第１動力分岐路と第２動力分岐路を含む動力分割ギアとからなる第１制御レベルで制御される油圧速度変換器の反動部材の設定において、少なくとも１つの反動部材を持つ油圧速度変換器は第１動力分岐路から動力を受け、反動部材の設定に依存して第２動力分岐路を介して動力分割ギアへの動力フィードバックを生じ、発電機は第１動力分岐路により少なくとも間接的に駆動され、一定のシステム周波数で回路網へ電力を発生し、第１制御レベルの動力分割ギアと油圧速度変換器との組合せは、その特性において、最適効率速度案内で風ロータの入力に実質的に対応し、ロータブレードの角度位置のためのコントローラおよび／または油圧速度変換器の反動部材の設定および／または発電機のパワーエレクトロニクスのコントローラから成る第２制御レベルにおいて、風力発電プラントの操作状態および／または回路網および／または風特性に依存する第３制御レベルによる前記目標特性により、コントローラは活動され、停止され、および／またはウエイトをかけられ、および／または設定される前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風ロータと固定周波数を持つ回路網に接続される発電機との間の駆動列内で油圧装置を持つ風力発電プラントの制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最初に入力側に関して風力発電プラントの特別なシステム特性に留意すると、特に、空気流の典型的に強く変動する動力ポテンシャルの時間経過に加えて、空気流の機械的動力の風ロータの機械的動力への動力変換がある。これに関して、駆動空気流の各流速を、一部分で風ロータの幾何学形状および設計に依存する風ロータのための最適速度−トルク比と組み合わせることができる。風速に依存する風ロータの最適速度を表す経過曲線は放物線として知られている。最適効率速度の用語は、この出願では前記放物線に従うロータ速度のために使用される。
【０００３】
風力発電プラントの機械動力の発電機による電力への変換は、風力発電プラントにおける別の必要性に通じる。電気相互接続回路網への発電機の接続は一定システム周波数の監視を必要とするからである。
【０００４】
発電機を主回路網に接続する時、第１の解決策は固定速度方式で風力発電プラント（および風ロータも）の完全な駆動列を提供することである。そのような固定速度風力発電プラントは、この原理により生じるスリップに基づいて非同期発電機を使用することにより電気相互接続回路網に容易に連結できる。駆動列での速度の不変は、ギアにより風ロータに伝達され、風ロータは異なる風速で、最適性能を越えて回転することはない。
【０００５】
固定速度風力発電プラント内での特に不利益な観点は、風力発電プラントが度々、典型的な風条件下で起こる部分的負荷での減少効率で操作できるだけということである。
【０００６】
風力発電プラントが一般的に操作され、特に部分的負荷範囲において可変ロータ速度で操作されると、可変発電機速度または一定発電機速度に至る可変初期速度または一定初期速度を駆動列に提供する可能性がある。また、出力は時間的に変化するモーメントにより両方の場合に時間経過により変化する。
【０００７】
第１の場合は風力発電プラントにおいて、周波数変換器の使用に通じ、周波数変換器は必要な周波数で発電機を励起するか、存在するシステム周波数の差に対する補正を提供し、それで、速度可変発電機を実現する。このアプローチは、ここで解決すべき問題から離れ、複雑な開ループ制御回路および閉ループ制御回路、周波数変換器内の風ロータの逆反映放物線特性、周波数変換器により定められる発電機特性の剛性、厳しい環境制限の場合の低い操作信頼性のような特別な問題に繋がり、無駄な費用で、わずかだけの調和の発生および無効電力の低い生産のような操作される主入力特性に繋がる。
【０００８】
すなわち、周波数変換器を使用することなく、風力発電プラントの可変ロータ速度を一定の発電機速度と組み合わせる第２アプローチは、可変入力速度と一定出力速度での風力発電プラントの、ここで現れる話題に対応する。この問題の周知な解決策は機械的動力を分岐する重合ギアを使用する。これに基づく２つのアプローチだけが、発電機周波数を一定に保持するために使用される可変速度風力発電プラントに関連して知られている。
【０００９】
第１システムにおいて、入力は重合ギアを介して大きい発電機と、小さいサーボモータとに分割され、入力の約３０％が通常、サーボモータへ伝達される。
発電機は固定周波数で回路網へ接続され、他方、サーボモータは周波数変換器を介して主回路網に接続されるか、発電機と機械的に連結される補助発電機を介して給電される。発電機速度を安定するため、サーボモータは異なる周波数を持つモータまたは発電機として操作される。そのようなシステムは、周波数制御される発電機を持つ風力発電機と同じ問題を有する。
【００１０】
油圧式に作動する第２システム内で、油圧モータおよびポンプは電気サーボモータの代わりに使用される。このシステムは、異なる制御特性の問題、特に、鈍い応答特性、適切なアイドル時間および強い非直線性を有する。さらに、油圧システム構成要素は構造上の複雑さのため不利である。
【００１１】
主回路網に接続される発電機の速度および用途の最適効率案内から生じる風力発電機の制御系に設置される上記の要求に加えて、風力発電プラントの異なる操作範囲および操作状態から生じる制御系に設置される別の要求がある。この出願では、操作範囲の用語は有効な風および風力発電プラントの容量利用度に依存して理解される。３つの異なる相互に隣接する操作範囲が、例示の仕方で以下に区別される。それらの操作範囲は、部分的負荷範囲または放物線負荷範囲、ノイズ減少および性能制限全負荷範囲のための速度案内範囲のように低風速から高風速へ分類されることにより選定される。これは、始動段階、同期段階、停止までの風力発電プラントの停止段階またはブレーキである。別の操作状態は主回路網接続の要求から生じることができる。これは、負荷減少、短絡、有効電力要求または出力減少に関するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、部分的負荷範囲のための風ロータの効率を最適化した速度案内に関連して一定速度で主回路網に接続される発電機の作動を許容する風力発電プラントの制御システムを提供することを目的とする。また制御システムは同時に、ノイズ制限に関する速度減少、および全負荷操作に同時に適しているものとする。さらに、制御システムは全ての操作範囲および風力プラントの操作時に発生する局面に適するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これらの目的を達成するために、風力発電プラントに適する制御システムは、少なくとも３つの制御レベルで構成しなければならないことを、発明者は認識した。
【００１４】
第１制御レベルは、本発明によると、駆動列を介して接続される風ロータと主回路網接続発電機とから成る。これは、動力分割ギアと油圧フェッティンガー速度変換器との組合せを表す。この第１制御レベルは、最適な効率の仕方でロータ速度を案内し、同時に一定の発電機速度を確保することができる特性を有する。これは、駆動列の次の構成による可能な実施例で達成される。
【００１５】
動力分割ギアの入力軸は、少なくとも風力発電プラントの風ロータと間接的に連結される。風ロータと動力分割ギアの入力との間の可能な中間部材は速度変換器である。剛性継ぎ手も可能である。
【００１６】
２つの動力分岐路は、可変ギア比を持つ遊星ギアとして構成できる動力分割ギア内に形成される。駆動列の出力軸は機械的動力を持つ第１動力分岐路内で風ロータにより駆動され、前記出力軸は少なくとも発電機と間接的に接続される。発電機駆動のための出力軸は一定速度で回転する必要がある。これを達成するために、油圧変換器は駆動列の出力により少なくともポンプインペラーと間接的に駆動され、出力軸とポンプインペラーとの間で直接接続が存在する。これは、出力軸が入力軸の速度に比較してかなり高速で動力分割ギア内で速度変換されることを必要とする。発電機の典型的な速度は、例えば、１５００ｒｐｍである。出力軸でのそのような高速により、油圧フェッティンガー速度変換器の有効な操作を提供できる。
【００１７】
典型的には案内羽根を持つ案内羽根車である油圧フェッティンガー速度変換器の反動部材の位置に依存して、ポンプの特別な動力吸収が起こり、それで、油圧フェッティンガー速度変換器のタービン羽根車へ連結される動力伝達が起こる。これは、空気流から風ロータの運動エネルギーへの動力変換のシステム固有特性の結果として、速度変換器のシステム特性の結果として、一般的には重合ギアに関連し、特に、風力発電プラントの部分的負荷に関連する速度変換器のシステム固有制御効果により、駆動列の出力軸での押圧一定発電機速度で駆動列の入力軸に風ロータのために最適入力速度を達成できるようにして、動力分割ギアおよび油圧変換器の反動部材の伝達比が設定できることになる。これは、風ロータおよびターボ機械としての速度変換器が速度／動力および速度／モーメントの同じ特性を持ち、同一システム特性の結果として制御のために同一の特性が必要であるという結果となる。
【００１８】
動力分割ギアと、出力軸にタップを備え動力分割ギアへの動力環流をする油圧速度変換器とを有する駆動列は、おおよその仕方で放物線曲線を持つ風ロータの最適吸収特性が駆動列により反映されるようにして機械的ギア要素の調整により設計される。可変入力、入力のための最適速度に沿った風ロータの案内、一定の発電機速度は、油圧速度変換器の反動部材の実質的に一定の設定のため、
そのような調整駆動列のために達成できる。この設計に依存する駆動列の出力速度の自己調整だけに通じるこの結果は、動力を動力分割ギアに戻すことができる油圧速度変換器がまた、放物線特性を有するようにして説明できる。結局、実際の意味では第１制御レベルのための所望値／実際値による制御はない。実際には、油圧速度変換器の反動部材の制御または放物線に沿った風ロータの速度案内と関連する実質的な一定値の設定だけが存在する。したがって、自己調整の用語は、この出願では第１制御レベルのために使用される。
【００１９】
本発明による第２制御レベルは、ロータブレード位置のためのコントローラと、油圧速度コントローラの反動部材の位置のためのコントローラと、発電機のパワーエレクトニクスのためのコントローラとから成る。前記第２制御レベルのコントローラは、それらが目標値と実際値との比較を実行し、動作信号を検出するので、実際の意味でループコントローラである。本発明によると、第２制御レベルのコントローラは、全操作範囲または操作状態に対して同時に動作せず、同じウエイティングを持たない。操作状態または操作範囲間の移行中に、さらに、コントローラウエイティング内で徐々の移行が起こるのが好ましい。
【００２０】
第３制御レベルは、本発明によると、異なる操作範囲および操作状態に依存して第２制御レベルのコントローラの選択を制御し、それらのウエイティングまたは、それぞれの徐々の移行を決める課題が割り当てられる。さらに、第３制御レベルは目標値、操作点および、好ましくは、第２制御レベルのためのコントローラ設定を決める。
【実施例】
【００２１】
本発明による方法を、図面を参照して次に詳細に説明する。
【００２２】
風力発電プラントのPRは近似した仕方で風速VWに関連する。
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【００２３】
ブレード幾何学形状や空気密度のような種々の定数は、ここでは、ｋとして
組み合わせられる。さらに、cpは動力係数と称され、それは、上式で示すように風速VWと、ロータ速度ωRと、ロータブレードの角度位置、いわゆるピッチ角度に依存する。この動力係数は包括的な最大値により特徴付けられ、風速VWの増加の場合、より高いロータ速度ωRに向けて変化する。
【００２４】
図３は、この関連において、異なる風速を考慮した風ロータの有効動力を例示する。曲線の組（実線）は、例示の仕方で、風速１８ｍ／ｓ、１６ｍ／ｓ、１４ｍ／ｓ、１２ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、８ｍ／ｓの一定のロータブレードピッチ角度での空気流から直径７０ｍの風ロータにより受ける動力を示す。風速の上昇による高い値に向かう最適なロータ速度の移行が特徴的である。それぞれの動力最大値は放物線として知られている曲線上に位置する。最適動力の前記の曲線に沿う速度ダイダンスは、以下では、本発明による駆動列の入力軸のための最適効率速度ガイダンスと称される。それで、変速ユニットは最適動力係数での有効な風速にしたがって操作できる。部分的負荷での変速操作に加えて、風力発電プラントは、典型的には、各々が達成され、全負荷で保持される定格速度に関連したある種の定格出力ために設計される。
【００２５】
風ロータのトルクは、破線で示される曲線の組に基づき図３で示される。図示のトルク曲線は風速に依存するそれぞれの動力に関連し、すなわち、トルク値は各々の最適効率速度に属し、このトルク値は、それぞれの風速での最大トルクに対応するのではなくて、他の値（図２の太線のトルク入力曲線を参照）をとる。風ロータにより生じるこのトルクにより、発電機は本発明による駆動列を介して駆動される。図３で示される同期発電機のためのトルク／速度比から、一定速度（この例では１５００ｒｐｍ）が設定され、異なる伝達トルクのための駆動要素の被駆動軸上に印加される回路網周波数５０Ｈｚため、被駆動側に保持されるのが分かる。
【００２６】
同期発電機の代わりに非同期発電機が使用されるならば、急勾配のトルク／速度比のような線形範囲での操作中に、駆動列の被駆動軸の速度は実質的に一定値を持つと仮定できるので、状態は実質的に同様である。
【００２７】
図２は、入力軸２が少なくとも風力エンジンのロータ３と間接的に接続される駆動列１から成る本発明による第１制御レベルの可能な実施例を示す。この場合、一定のギヤ比を持つギア４は風力エンジンのロータ３と入力軸２との間に設置される。ここで示すような実施例では、入力軸２が遊星キャリア６と連結され、駆動列１の動力分割ギア５として遊星ギアが使用される。動力分割ギア５内には２つの動力分岐路がある。第１分岐路７は太陽ホイール９を介して駆動列１の出力軸１０へ動力を案内する。前記出力軸１０は、少なくとも間接的に発電機１１を駆動し、油圧速度変換器１２と作用的に連結される。このために、出力軸１０は少なくとも間接的に油圧速度変換器１２のポンプホイール１３に連結される。調整ブレードを持つガイドホイールは油圧速度変換器１２内の反動部材１５として使用され、油圧速度変換器によりタービンホイール１４での動力流を設定できる。動力分割ギア５の外ギアホイール１７に部分的に作用してギア比に影響し、第２固定遊星ホイールセット１６を介して案内され、
タービンホイール１４を経る動力戻り流がある。これは、動力戻り流のために使用される動力分割ギアの第２動力分岐路１８に現れる。
【００２８】
本発明による第１制御レベルは、動力分割ギア内での機械的伝達を選択し、速度変換器のサイズを決めることにより、風ロータ３による最適動力入力の放物線特性が反映されるようにして、構造的な観点から構成される。始動点は、各風速にとって空気流からの最大動力入力のための理想的なロータ速度を決定できる。これに関連して図３との関係で先の議論を言及する。発電機のための駆動列の一定出力速度は、同時に別の前提条件として設定される。この場合、これは１５００ｒｐｍである。動力分割ギアのギア要素（例えば、外ギアおよび太陽ホイール）の必要な回転速度は、上記前提条件を考慮して部分的負荷範囲内で風速毎に決定できる。駆動列は、油圧速度変換器１２の反動部材１５の実質的に一定に維持する位置のための放物線動力入力特性を反映することに注意しなければならない。
【００２９】
図４は駆動列に生じる速度と、個々の分岐路内に伝達される動力とを表す。
詳細には、曲線Ａは被駆動軸１０の速度を示し、曲線Ｂは油圧速度変換器１２のタービンホイール１４の速度を示し、曲線Ｃは入力軸２の速度を示し、曲線Ｄは動力分割ギア５の外ギア１７の速度を示す。動力流のため、曲線Ｅは風ロータにより生じる動力を表し、曲線Ｆは太陽ホイール９での動力であり、曲線Ｇは駆動列により伝達される動力であり、曲線Ｈは油圧速度変換器１２から動力分割ギア５へ第２動力分岐路１８を介して戻る動力流を示す。
【００３０】
図５は、再び、この実施例の動力流と、この場合には油圧速度変換器のガイドホイールである反動部材の設定とを示す。動力流曲線Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは図４のＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈに対応する。駆動列の特性により再生できる放物線に沿った最適動力入力の場合、図示の全部分負荷範囲に亘り実質的に均等に維持するガイドブレード位置で作用できることは明らかである。この設定は、以下では、油圧速度変換器の調整設定と称する。同期可変最適風ロータ速度で発電機にチャージングする駆動列の出力速度の不変を達成するための反動部材の制御は不要である。その結果、動力入力を特徴付ける放物線の急勾配は、速度変換器のサイズに関連した動力分割ギアの要素の伝達部のサイズにより設定できることを言及する。本発明による駆動列のこの特性は以下において自己調整と称する。
【００３１】
図１は本発明による風力発電プラント用の制御レベルの階層的構造を示す。第１制御レベルは上記のように風ロータと発電機とを持つ自己調整駆動列である。第１制御レベルは、ロータブレード角度の制御と、油圧速度変換器の反動部材の位置と、発電機のパワーエレクトロニクスのコントローラとから成る第２制御レベルにより重ねられる。実際値と目標値との比較は、上記の各コントローラのため、この第２制御レベルで生じ、それにより、それぞれの動作信号が発せられる。
【００３２】
経験では、第２制御レベルの全てのコントローラは全ての操作範囲および操作状態で動作しないことを示している。個々のコントローラの徐々の切換えと同様にコントローラ動作およびコントローラウエイティングの制御は、第３制御レベルで発生される。第３制御レベルは操作状態または操作範囲に依存して制御される変化を選択するのでなくて、一方の変数および同じ変数、例えば、ロータブレード角度のため、異なるコントローラまたは異なるコントローラ設定を使用することもできる。これは、それぞれの特別状況に対する制御特性と同様に制御特性および制御速度の調整を許容する。さらに、目標コントローラ値および選択される操作点の設定は、第３制御レベルにより上位制御レベルとして得られる。
【００３３】
異なる操作範囲のための制御レベル２の異なるコントローラの選択を、図６を参照にして説明する。ロータ速度に依存する風ロータにより生じるモーメントが示される。さらに、この図は油圧速度変換器の反動部材の異なる位置（Ｈ）のトルク／速度比を示す曲線の組を示す。
【００３４】
Iで示される操作範囲は、部分的負荷範囲または放物線負荷操作を表す。この部分的負荷範囲では第１制御レベルの自己調整だけが適用され、すなわち、第２制御レベルのコントローラは、いずれも作動しない。このため、風ロータは、その回転速度に関して最適効率路で案内され、空気流から最大動力を得るように（最適一定値に設定されることを意味する。）、反動部材が第１制御レベルで制御される。
【００３５】
センサおよびそれぞれのセンサは、部分的負荷範囲または放物線負荷範囲での風ロータの最適効率ガイドを監視するために第３制御レベルに付設される。このため、平均風速、風ロータの速度および発電機速度が考慮される。さらに、駆動列および発電機の別の操作パラメータを監視し、モデルに基づき同じものを評価することができる。電流作用範囲または、現在の操作状態のこの考慮に基づき、デフォルト値を第３制御レベルにより風力発電プラントの第２制御レベルおよび第１制御レベルに送ることができる。信号判別ユニットは当業者には任意であり、例えば、バスシステムとして構成できる。
【００３６】
部分負荷範囲または放物線負荷範囲での通常の操作の場合、第３制御レベルにより、第１制御レベルが油圧速度変換器の反動部材の最適設定を使用するかどうかが決定される。この最適設定が油圧放物線に沿う自己調整を可能にする。
上記のように、反動部材の最適設定はシステムの固有変数である。しかしながら、風力ユニットのためのプロジェクト構成データは、平均風速、ロータブレードの幾何学形状および同一のものに基づく油圧駆動列のサイズに関して実際の操作条件とわずかに異なることが起こるかもしれない。この場合、第１制御レベルの最適効率ガイドからのずれは、第３制御レベルにより検出され、それにより、それぞれの調整をする必要がある。このため、第３制御レベルは第１制御レベル内の油圧速度変換器の反動部材の調整設定と対抗し、必要であれば、第２制御レベルでロータブレードの角度位置のためのコントローラを作動する。ロータブレードのための全アタックからの小さいずれは、典型的には、第１制御レベルの自己調整効果を単に支持する第２制御レベルのロータブレード位置のコントローラにより実際値として選択されるであろう。第２制御レベルのこの従属関係は、好ましくは、制御パラメータの設定中、例えば、通常の操作のこの場合の部分負荷での第３制御レベルにより設定される制御時間定数でも反映される。
【００３７】
図６による実施例において、ほぼ１５．５ｍ−１の速度に対応する任意速度閾値を越えて部分負荷範囲を離れ、ノイズ制限のための減少されるロータ速度を持つ操作範囲に達する。IIで示されるこの操作範囲では、油圧速度変換器の反動部材の制御または反動部材の一定値の設定は、フィードバック制御により交換される。このフィードバック制御は、速度が最も簡単な場合に一定に保持され、一般的に風ロータにより生じるトルクに依存する曲線に沿って案内されるように反動部材のための操作点を選択する。風ロータの設定目標速度により、第２動力分岐路への戻り動力流の結果として伝達比が動力伝達ギア内で変化し、速度の不変の結果として発電機により押圧され、任意の目標速度が動力分割ギアの第１動力分岐路内で達成されるように反動部材は再調整される。コントローラ特性のそれぞれの設定をすることにより、コントローラは、平均風速の変化および突風により発生されるような短期間の変化の結果として操作点を再調整し、この制御された操作点の周囲での速度変化に至ることが達成される。第１制御レベルの自己調整特性は、このために使用され、それで、突風による衝撃は短期間エネルギー蓄積期間内で減少され、短期間の風力増加は駆動列で伝達される有効動力を増加するために使用される。
【００３８】
ノイズ制限操作範囲IIのためにされる第２制御レベルに対するコントローラのこの選択、動作およびウエイティングは、本発明において第３制御レベルにより実行される。このため、システムおよび周辺の測定変化、特に、ロータ速度、発電機速度、発電機出力、平均風速は第３制御レベルで処理され、現在の操作範囲および操作状態が決定され、それに基づき、第１制御レベルおよび第２制御レベルのための設定、操作点および操作範囲が設定される。
【００３９】
さらに、図６は参照数字IIIで示される風力発電プラントの全負荷操作への移行を示す。風力発電プラントの動力入力は一定に保持されねばならない。これは、第２制御レベルからのコントローラに油圧変速変換器の反動部材のためさらに使用されるコントローラを加えることにより達成される。これは、風ロータのブレード角度位置のコントローラ、いわゆるピッチコントローラに関連する。第２制御レベルのためのコントローラのそれぞれの選択は、本発明では第３制御レベルにより開始される。
【００４０】
図６において、数字IIで示される操作範囲「ノイズ減少のための速度制御範囲」は、風力発電プラントの組立場所に依存する、異なる値を仮定でき、または、例では沖合地域では、さらに省略でき、部分的負荷範囲または放物線負荷操作Iから直接、全負荷範囲IIIへ移動できる。
【００４１】
始動段階、停止段階、同期段階となることができる風力発電プラントの異なる操作状態に基づいて、風力発電プラントの制御システムに応答する必要となる別の必要性が生じる。システムが接続される回路網と関連する（これは、短絡、動力減少または反動部材のための必要性に関連する）結果または必要性の場合でさえ、第３制御レベルによるコントローラの選択が起こり得る。そのような回路網が必要な場合、第２制御レベルのための発電機の電力コントローラは第３制御レベルにより動作されるのが好ましい。
【００４２】
異なるコントローラ動作のための別の例は図８ａから図８ｆで順次に示される。これは、風力発電プラントの始動段階および停止段階に関連する。
【００４３】
風力発電プラントが始動すると、ブレード角度位置は最大動力の一部分だけが生じるように調整される。この動力は所要の速度のため風力発電プラントを加速するのに十分である。風ロータのブレード角度位置のコントローラは、いわゆるピッチコントローラは、ユニットが発電機速度の領域に達するように制御される。それから、第１制御レベル油圧速度変換器の反動部材は、実際の発電機速度がわずかな極偏差で目標速度に対応するように制御される。この目標（わずかな極偏差での発電機速度）は、システムの固有値であり、それで事前に設定される。同様に、フィードバック制御により反動部材のためにこの初期設定を調整することもできる。発電機のわずかな極偏差で設定速度に達すると直ちに、回路網の同期がおこる。同期後、風内でのロータブレード位置を変えることにより生じる全動力が起きるであろう。この時から、好ましくは、ロータブレード位置はもはや活発に制御されず、設定値に維持される。
【００４４】
ブレーキ段階を開始すると、例えば、図８ｅで示すようにロータブレードコントローラは再作動できる。ロータブレードはロータブレードピッチ角度を調整することにより風から外される。
【００４５】
第３制御レベルが応答する可能な操作状態は、大きい消費装置の突然の損失で起こり、特に、回路網不安定を逆転させるための超電圧ネットワーク接続の遮断の場合に生じる負荷減少である。風力発電プラントはエネルギー均衡を突然に失う。空気流により風力発電プラントに供給される実際の動力は、電力形式では最早供給できない。ロータ、ハブ、駆動列は加速され、過剰動力は回転質量の運動エネルギーに変換される。回転部分の回転速度が構造上の設定閾値を越えると、ロータ、発電機ロータ、軸および軸受は損傷を受けるか、完全に破壊されることになる。回転部分の損傷は、主に安全危機を表し、全状況下で回避する必要がある。そのような安全臨界状態を避けるために、上記のように第３制御レベル内に分離して設けられるフィードバック制御アルゴリズムが設備される。第２レベルのコントローラは、その時点で有効な操作状態から「負荷減少」の操作状態へ移動される。この操作状態は主に、ブレード角度が最大調整速度で風から外されることで特徴付けられる。この処置は空気流により風力発電プラントに供給される動力が、出来る限り迅速に減少されることを確実にする。０点を通過後、エネルギーはロータから生じる。ユニットは確実な操作状態に再び達するまでずっと遅延される。さらに、トルクコンバータ内の反動部材のためのコントローラは、上記のように、発電機ロータが定格速度を越えて出来る限り少なく加速され、安全にブレーキできるように第２制御レベル内で影響される。このために、トルクコンバータ内の油圧接続は最高値となることを確実にする必要がある。したがって、トルクコンバータ内のアクチュエータは案内される。これらの２つの制御特性は、風力発電プラントのロータおよび発電機ロータのみならず、また、重合分岐路内のタービンが安全限界または損傷を引き起こす過剰速度を越えないことを確実にする。
【００４６】
発電機内の固定子は送電のために少なくとも間接的に回路網に連結される。電力の生成が同期発電機に関するものであれば、その操作特性はロータでの励起電圧を介して影響される。回路網内で電圧低下が起こると、上記のように第３制御レベルは、風力発電プラントが最低に可能な負荷に向けられ、回路網が最良に可能な仕方で支持されるように第２制御レベルから、発電機のための励起電圧に影響するにちがいない。
【００４７】
空気流から生じて風力発電プラントに供給される動力は、いわゆる動力係数Ｃｐに比例し、風速の第３動力に比例する。少なくとも通常の動力を発生するために必要な風速は、以下では、通常風速と称する。普通の風速が通常風速を越えると、空気流から風力発電プラントに供給される有効動力は制限される必要がある。このために、上記のように第３制御レベルを通して第２レベルでピッチコントローラが動作され、ピッチ角度は、定格電力を越える有効動力にしたがい、風力発電プラントの定格電力を最早越えない限り増加される。同様に、動力係数Ｃｐが最大となり、ロータは定格電力以下に低下する場合、空気流から最大動力を生じるまで、ピッチ角度は減少される。
【００４８】
回路網内の消費装置の一時的に変化する特性の結果として、回路網オペレータは発電ユニットからの容量性無効電力または誘導性無効電力の交替を要求できる。この要求は励起を介した電気装置のような同期発電機を通して簡単に満たすことができる。このために、回路網オペレータにより要求される容量性無効電力または誘導性無効電力は、第３レベルの上記コントローラを通して第２レベルの励起制御の励起電圧の目標値に変換される。第２レベルの励起制御は、風力発電プラントにより回路網へ伝達される無効電力が回路網オペレータにより要求される値に対応する形式で励起電圧が影響されることを確実にする。
【００４９】
さらに、有効な寿命、負荷収集および維持間隔に依存して、ホールドオフ操作状態に導くことができる。これは、ロータブレード位置を通して達成される突風条件の場合に風による風力発電プラントの早期な旋回に関連するかもしれない。さらに、風力発電プラントの立ち上げ後のテスト段階または修正目的のために、特別な操作状態が定義できる。また、風力発電プラントの任意の操作状態は同時に、すなわち、結合して生じることができ、このことは、それから、第２制御レベルでの第３制御レベルの調整された影響に通じる。
【００５０】
図８は、油圧速度変換器の反動部材の制御のための例として、少なくとも３つの制御レベルでの風力発電プラントの構成の例示を示す。図６の操作範囲IIは、風ロータの速度がノイズ限界のために案内されることを仮定する。この簡単化された場合には、第２制御レベル油圧速度変換器の反動部材のコントローラだけが、ロータブレード速度のため第３制御レベルにより設定される設定点で第３制御レベルのこの目標を達成するために作動される。ロータ速度のための実際値と目標値との比較は第２制御レベルで実行され、それで、決定されるコントローラ偏差は油圧速度変換器の反動部材のためのコントローラの入力変化を表す。この場合には、後続回路内に接続されるＩコントローラを持つＰＤコントローラが使用される。本発明の範囲内で、ファジー制御または状態制御のような複数の制御アプローチを使用できる。
【００５１】
出力値として、油圧速度変換器の反動部材のコントローラは、第１制御レベルのため閾値０と１との間で目標設定を事前設定する。反動部材のための従属コントローラは、この実施例では、反動部材のための任意の設定値を設定するために第１制御レベル内で使用される。この簡単化される場合では、このためにＰコントローラが使用され、このコントローラは反動部材の動作装置のシステムに作用する。このコントローラは、出口開口位置に依存する油流の比例特性および油圧アクチュエータの調整特性により簡単な仕方で特徴付けられるシステム特性を有する。
【００５２】
従属位置決めコントローラを介して影響される反動部材の実際の位置は、本発明による前記の油圧駆動列内で風ロータに戻り作用をする（そのことは、図８では示されていない。）。第２制御レベルでの目標値／実際値の比較のための実際のロータ速度のフィードバックも示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、油圧装置を備えた風力発電プラントの本発明による３つの制御レベルを示す。
【図２】図２は、被駆動側に速度変換器を備えた本発明によるトルク分割風力発電プラントの第１制御レベルの概要表示を示す。
【図３】図３は、風力発電プラントの最良点での有効電力曲線を示す。
【図４】図４は、動力流および風タービン速度に依存する第１制御レベルの機械油圧駆動列の個々の分岐路の速度を示す。
【図５】図５は、動力流および風タービン速度に依存する機械油圧駆動列の反動部材の設定を示す。
【図６】図６は、風力発電プラントの異なる操作範囲を示す。
【図７】図７は、風力発電プラントの異なる操作状態を示す。
【図８】図８は、風ロータの速度を設定する油圧速度変換器の反動部材の制御の実施例の概要である。
【符号の説明】
【００５４】
１    駆動列
２    入力軸
３    風ロータ
４    ギア
５    動力分割ギア
６    遊星キャリア
７    第１動力分岐路
９    太陽ホイール
１０  出力軸
１１  発電機
１２  油圧速度変換器
１３  ポンプホイール
１４  タービンホイール
１５  反動部材
１６  第２固定遊星ホイールセット
１７  外ギア
１８  第２動力分岐路
【図１】
2005201260.tif 000004
【図２】
2005201260.tif 000005
【図３】
2005201260.tif 000006
【図４】
2005201260.tif 000007
【図５】
2005201260.tif 000008
【図６】
2005201260.tif 000009
【図７】
2005201260.tif 000010
【図８】
2005201260.tif 000011
【外国語明細書】
1. Title of Invention
Control System for a Wind Power Plant with Hydrodynamic Gear
2. Detailed Description of Invention
The invention relates to a control system for a wind power plant with a hydrodynamic gear in the drive train between wind rotor and a generator connected to the electric mains with fixed frequency.
If attention is given to the special system characteristics of wind power plants with respect to the power input side first, there is a particularity, in addition to the progress over time of typically strongly fluctuating power potential of the air flow, in the power conversion of the mechanical power of the air flow into the mechanical power of the wind rotor. In this respect it is possible to associate each flow speed of the driving air flow with an optimal speed-to-torque ratio for the wind rotor, which on its part depends on the geometry and design of the wind rotor. The progress curve describing an optimal speed of the wind rotor, which depends on the wind speed, is known as parabolics. The term of an efficiency-optimal speed is used in the present application for a rotor speed following said parabolics.
The conversion of the mechanical power of a wind power plant into electric power by means of an electric generator leads to a further requirement placed on wind power plants because the connection of the electric generator to an electric interconnected network grid also requires the observance of a constant system frequency.
When coupling an electric generator to the mains network, a first solution is to provide the entire drive train of the wind power plant (and thus also the wind rotor) in a fixed-speed manner. Such fixed-speed wind power plants can be connected easily to the electric interconnected network grid by using asynchronous generators on the basis of slip caused by this principle. The constancy of the speed on the drive train is transmitted by the gear onto the wind rotor, so that the wind rotor does not run over its performance optimum at different wind speeds.
An especially disadvantageous aspect in fixed-speed wind power plants is that they can only be operated with reduced efficiency under partial load, which occurs frequently under typical wind conditions.
If a wind power plant is operated in general and in particular in the partial-load range with a variable rotor speed, there is either the possibility to provide a drive train with variable or constant initial speed, which leads to a variable or constant generator speed. The output also changes over time in both cases due to the time-varying moment.
The first case leads in wind power plants to the use of frequency converters, which excite the generator with the required frequency or provide compensations to the difference of the existing system frequency and thus realize a speed-variable generator. This approach leads away from the problem to be solved here and is linked to special problems such as the complex open-loop and closed-loop control circuits, the adversely reflected parabolic characteristics of the wind rotor in the frequency converter, the stiffness of the defined generator characteristics by the frequency converter, the lower operational reliability in the case of serious environmental restrictions, a mains supply quality to be operated with high effort such as the occurrence of only few harmonics and a low production of reactive power.
The second approach, namely combining a variable rotor speed of the wind power plant with a constant generator speed without the use of a frequency converter, corresponds to the topic represented herein of a wind power plant with variable input speed and constant output speed. The known solutions of this problem use a superposition gear, which branches the mechanical power. Only two approaches based on this have become known in connection with speed-variable wind power plants, which are used for keeping constant the generator frequency.
In the first system the input power via the superposition gear is divided among a large generator and a small servomotor, with approximately 30% of the input power being usually transmitted to the servomotor. The generator is connected with a fixed frequency to the electric network, whereas the servomotor is connected via a frequency converter to the mains network or is supplied via an auxiliary generator, which is mechanically coupled to the generator. For the purpose of stabilizing the generator speed, the servomotor is operated as a motor or as a generator with different frequencies. Such a system has the same problems as wind power plants with frequency-controlled generators.
In a second system, which works in a hydrostatic manner, hydraulic motors and pumps are used instead of the electric servomotor. This system also has the problem of difficult control characteristics, especially a sluggish response behavior and relevant idle times and strong non-linearities. Moreover, the hydraulic system components are disadvantageous due to the constructional complexity.
In addition to the above requirements placed on the control system of a wind power plant, which arise from an efficiency-optimal guidance of the speed and the use of a generator connected to the mains network, there are further requirements placed on control system, which arise from different operating ranges and operating states of a wind power plant. In the present application, the term of operating ranges is seen depending on the available wind and the degree of capacity utilization of the wind power plant. Three different, mutually adjacent operating ranges are distinguished below in an exemplary manner. They are designated by being sorted from low to high wind speeds as partial load range or parabolic load operation, speed-guided range for noise reduction and performance-limited full load range. The different operating states of a wind power plant must be distinguished from this. This can be the start phase, the synchronization phase, the stop phase or a braking of the wind power plant until standstill. Further operating states can arise from the requirements of mains network connection. This can concern a load rejection, a short circuit, a reactive power requirement or a power reduction.
The invention is based on the object of providing a control system for a wind power plant, which allows the operation of a speed-constant, mains-coupled generator in conjunction with an efficiency-optimized speed guidance of the wind rotor for the partial load range. A control system is further to be provided simultaneously which is also suitable for speed reduction for noise limitation and for full load operation. Furthermore, the control system should be suitably adjustable to all operating ranges and states occurring during the operation of a wind power plant.
In order to achieve these objects, the inventors have recognized that a control system, which is suitable for a wind power plant must be composed of at least three control levels.
The first control level consists of the wind rotor and the mains-coupled generator, which in accordance with the invention are coupled via a drive train. This represents a combination of a power split gear and a hydrodynamic Fottinger speed transformer. This first control level has a behavior, which allows guiding the rotor speed in an efficiency-optimal manner and to ensure at the same time a constant generator speed. This is achieved according to a possible embodiment by the following configuration of the drive train:
The input shaft of the power split gear is connected at least indirectly with the wind rotor of the wind power engine. Possible intermediate members between the wind rotor and the input of the power split gear can be speed-transforming gears. Rigid coupling is also possible.
Two power branches are formed in the power split gear, which can be configured as a planetary gear with variable gear ratio. The output shaft of the drive train is driven in the first power branch with mechanical power by the wind rotor, with said output shaft being coupled at least indirectly with the electric generator. It is necessary that the output shaft for the generator drive revolves at a constant speed. In order to achieve this, a hydrodynamic converter is driven at least indirectly with its pump impeller by the output of the drive train, with there being a direct coupling between output shaft and pump impeller. This requires that the output shaft is speed-transformed in the power split gear with a speed which is considerably higher in comparison with the speed of the input shaft. A typical speed of the electric generator is 1500 rpm for example. With such high speeds on the output shaft it is possible to provide an effective operation of the hydrodynamic Fottinger speed transformer.
Depending on the position of a reaction member of the hydrodynamic Fottinger speed transformer, which is typically a guide wheel with guide blades, there is a specific power absorption of the pump and thus connected power transmission to the turbine wheel of the hydrodynamic Fottinger speed transformer. This leads to the consequence that as a result of the system-inherent characteristics of the power conversion from air flow to the kinetic energy of a wind rotor and the system characteristics of the speed transformer, the transmission ratios in the power split gear and the reaction member of the hydrodynamic transformer can be set in such a way that by means of system-inherent control effect of the speed transformer in conjunction with the superposition gear in general and in particular in the partial-load range of the wind power plant it is possible to achieve an optimal input speed for the wind rotor on the input shaft of the drive train with the impressed constant generator speed on the output shaft of the drive train. This leads to the consequence that wind rotor and speed transformer as turbo machines have the same characteristics of speed/power and speed/moment and identical behaviors are required for the control as a result of their identical system behavior.
The drive train with power split gear and hydrodynamic speed transformer with tap on the output shaft and power return flow onto the power split gear is designed by adjustment of the mechanical gear components in such a way that the optimal absorption characteristics of the wind rotor, which in an approximated manner has a parabolic curve, are reflected by the drive train. A variable power input, the guidance of the wind rotor along the optimal speed for power input and a constant generator speed can be achieved for such an adjusted drive train for a substantially constant setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer. This effect, which merely leads to a self-regulation of the output speed of the drive train depending on the design, can be explained in such a way that the hydrodynamic speed transformer which allows power to flow back to the power split gear also has parabolic characteristics. Consequently, there is no control in the actual sense with a desired/actual value for the first control level. There is actually only a control of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer or its setting to a substantially constant value which is associated with the speed guidance of the wind rotor along the parabolics. Accordingly, the term self-regulation is used for the first control level in the present application.
A second control level in accordance with the invention comprises a controller for the rotor blade position, a controller for the position of the reaction member of the hydrodynamic speed controller and a controller for the power electronics of the generator. The controllers of said second control level are loop controllers in the actual sense because they perform a comparison of setpoint and actual values and emit actuating signals. In accordance with the invention, the controllers of the second control level are not simultaneously active for all operating ranges or operating states and do not have the same weighting. In the transition between operating states or operating ranges it is further preferable that a graduated transition occurs in the controller weighting.
A third control level is assigned the task in accordance with the invention to control the selection of the controllers of the second control level depending on the different operating ranges and operating states and to determine their weighting or respective graduated transition. Moreover, the third control level determines the setpoint values, the operating points and preferably also the controller settings for the second control level.
The method in accordance with the invention is described below in closer detail by reference to the figures, wherein:
Fig. 1 shows three control levels in accordance with the invention for a wind power plant with hydrodynamic gear;
Fig. 2 shows a schematic representation of the first control level of a torque-divided wind power plant in accordance with the invention with a speed transformer on the driven side;
Fig. 3 schematically shows the active power curve at the best point of a wind power plant;
Fig. 4 shows the power flows and speeds of the individual branches of the mechanical hydrodynamic drive train of the first control level depending on the wind turbine speed;
Fig. 5 shows the power flows and settings of the reaction member of the mechanical hydrodynamic drive train depending on the wind turbine speed;
Fig. 6 shows different operating ranges for a wind power plant;
Fig. 7 shows different operating states for a wind power plant;
Fig. 8 outlines an embodiment of control of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer for setting the speed of the wind rotor.
The ｐR of a wind power plant is in connection in an approximated manner with the wind speed ｖW:
2005201260.tif 000012
Various constants such as blade geometry and density of the air are combined here as ｋ. ｃp further designates the power coefficient, which - as shown - depends on the wind speedｖW, the rotor speed ωR and the angular position of the rotor blades, the so-called pitch angle. This power coefficient is characterized by a global maximum, which shifts towards higher rotor speedsωR in increasing wind speeds ｖW.
Fig. 3 shows in this connection the illustration of effective power of a wind rotor by considering different wind speeds. A set of curves (unbroken lines) is shown which represents in an exemplary manner the power taken up by a wind rotor with a diameter of 70 m from the air flow at a constant rotor blade pitch angle for the wind speeds of 18 m/s, 16 m/s, 14 m/s, 12 m/s, 10 m/s, 8 m/s. The displacement of the optimal rotor speeds towards higher values with rising wind speed is characteristic. The respective power maxima are situated on a curve, which is also known as parabolics. A speed guidance along said curve of optimal power input is designated below as efficiency-optimal speed guidance for the input shaft of the drive train in accordance with the invention. A speed-variable unit can thus be operated depending on the available wind speed at optimal power coefficients. In addition to the speed-variable operation under partial load, wind power plants are typically designed for certain rated outputs in conjunction with a rated speed which are each achieved and held at full load.
The torque of the wind rotor is shown in fig. 3 on the basis of the set of curves shown with broken lines. The illustrated torque curves are associated with the respective powers depending on the wind speed, i.e. a torque value belongs to each efficiency-optimal speed, which torque value does not correspond to the maximum torque at the respective wind speed but assumes another value (cf. the torque input curve in fig. 2 in bold print). With this torque, which is taken up by the wind rotor, the electric generator is driven via the drive train in accordance with the invention. From the torque/speed ratio for a synchronous generator shown in fig. 3 it can be seen that a constant speed (in this example 1500 rpm) is predetermined and held on the driven side for an impressed mains frequency of 50 Hz on the driven shaft of the drive strand for the differently transmitted torques.
If an asynchronous generator is used instead of the synchronous generator, the situation is substantially similar because during operation in the linear range such a steep torque/speed ratio can be assumed that the speed of the driven shaft of the drive train has a substantially constant value.
Fig. 2 shows a possible embodiment of a first control level in accordance with the invention, comprising a drive train 1 whose input shaft 2 is connected at least indirectly with the rotor 3 of a wind power engine. In the present case a gear 4 with a constant gear ratio is placed between the rotor 3 of the wind power engine and the input shaft 2. In the embodiment as shown here, a planetary gear is used as a power split gear 5 of the drive train 1, with the input shaft 2 being in connection with the planet carrier 6. There are now two power branches in the power split gear 5; the first power branch 7 guides power via the sun wheel 9 to the output shaft 10 of the drive train. Said output shaft 10 drives at least indirectly the electric generator 11 and is in operative connection with the hydrodynamic speed transformer 12. For this purpose the output shaft 10 is connected at least indirectly with the pump wheel 13 of the hydrodynamic speed transformer 12. A guide wheel with adjusting blades is used as a reaction member 15 in the hydrodynamic speed transformer 12 with which the power flow on the turbine wheel 14 can be set. There is a power backflow via the turbine wheel 14, which is guided via a second rigid planet wheel set 16, which on its part acts upon the external gearwheel 17 of the power split gear 5 and influences the gear ratio. This represents the second power branch 18 of the power split gear, which is used for power backflow.
The first control level in accordance with the invention is configured from a constructional viewpoint in such a way that by choosing the mechanical transmissions in the power split gear and by dimensioning the speed transformer, the parabolic characteristic of the optimal power input by wind rotor 3 is reflected. The starting point is that for each wind speed it is possible to state an ideal rotor speed for the maximum power input from the air flow. Reference is made in this respect to the preceding discussion in connection with fig. 3. A constant output speed of the drive train for the electric generator is predetermined at the same time as a further precondition. In the present case this is 1500 rpm. The necessary revolving speeds of the gear components of the power split gear (e.g. the external gear and the sun wheel) can now be determined for every wind speed in the partial load range under consideration of the above preconditions. Notice must be taken that the drive train must reflect the parabolic power input characteristic for a substantially constant remaining position of the reaction member 15 of the hydrodynamic speed transformer 12.
Fig. 4 represents the speeds occurring on the drive train and the powers transmitted in the individual branches. In detail, curve A shows the speed of the driven shaft 10, curve B shows the speed of the turbine wheel 14 of the hydrodynamic speed transformer 12, curve C shows the speed of the input shaft 2 and curve D shows the speed on the external gear 17 of the power split gear 5. For the power flows, curve E represents the power taken up by the wind rotor, curve F is the power on the sun wheel 9, curve G is the power transmitted by the drive train and curve H states the power flowing back via the second power branch 18 from the hydrodynamic speed transformer 12 to the power split gear 5.
Fig. 5 again shows the power flow for this embodiment and the setting of the reaction member, which in the present case is a guide wheel of the hydrodynamic speed transformer. The power flow curves E, F, G and H correspond to those of fig. 4. It is clear that in the case of an optimal power input along the parabolics which can be recreated by the characteristics of the drive train, it is possible to work with a substantially evenly remaining guide blade position over the entire illustrated partial-load range. This setting is referred to below as the adjusted setting of the hydrodynamic speed transformer. No control of the reaction member is necessary in order to achieve the constancy of the output speed of the drive train for charging the electric generator at a simultaneous variable optimal wind rotor speed. Reference is hereby made in that the steepness of the parabola characterizing the power input can be set by the dimensioning of the transmission of the components of the power split gear in conjunction with the dimensioning of the speed transformer. This characteristic of the drive train in accordance with the invention is designated below as self-regulation.
Fig. 1 shows a hierarchical configuration of the control levels for a wind power plant in accordance with the invention. The first control level is the self-regulating drive train with wind rotor and generator as described above. It is superimposed by the second control level, which comprises the controllers for the rotor blade angle, the position of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer and a controller for the power electronics of the generator. A comparison of actual and setpoint value occurs in this second level for each of the mentioned controllers, whereupon the respective actuating signals are emitted.
Experience has shown that not every controller of the second control level activates for all operating ranges or operating states. A control of the controller activation and controller weighting as well as a graduated changeover between individual controllers is produced by the third control level. It not only chooses the variable to be controlled depending on the operating state or operating range, but it is also possible to use different controllers or different controller settings for one and the same variable, e.g. the rotor blade angle. This allows adjusting the control characteristics and control speed as well as the control quality to the respective special situation. Moreover, a setting of the setpoint controller values and the chosen operating points is obtained through the third control level as superordinate control level.
The choice of different controllers for the control level 2 for different operating ranges is explained by reference to fig. 6. The moment taken up by the wind rotor depending on the rotor speed is shown. The illustration further shows a set of curves indicating the torque/speed ratio for different positions (H) of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer.
The operating range designated with I represents the partial load range or parabolic load operation. Only the self-regulation of the first control level is applied in this partial load range, i.e. none of the controllers of the second control level is active. For this purpose, the reaction member is controlled in the first control level in such a way (meaning it is set to an optimal constant value) that the wind rotor is guided in an efficiency-optimal way with respect to its rotational speed and obtains the maximum power from the air stream.
Sensors and a respective sensor processing are assigned to the third control level for monitoring the efficiency-optimal guidance of the wind rotor in the partial load range or parabolic load range. For this purpose, the mean wind speed, the speed of the wind rotor and the generator speed are preferably acquired. It is further possible to monitor further operating parameters of the drive train and the generator and to estimate the same on the basis of a model. Based on this acquisition of the current operating range or the present operating state, default values can be sent to the second and first control level of the wind power plant by the third control level. Signal evaluation units are at the discretion of the person skilled in the art and can be configured as a bus system for example.
In the case of normal operation in the partial load range or parabolic load operation, it is determined by the third control level whether the first control level uses an optimal setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer, which allows self-regulation along the parabolics. As explained above, this optimal setting of the reaction member is a system-inherent variable. However, it may also occur that the project configuration data for the wind power unit slightly depart from the actual operating conditions with respect to mean wind speed, geometry of rotor blade and the dimensioning of the hydrodynamic drive train, which is based on the same. In this case, a deviation from the efficiency-optimal guidance of the first control level can be detected by the third control level, whereupon respective adjustments need to be made. For this purpose the third control level will emulate the adjusting setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer in the first control level and, if necessary, activate the controller for the angular position of the rotor blade in the second control level. A small deviation from the full attack position for the rotor blades will typically be chosen as the actual value, with the controller for the rotor blade position of the second control level merely supporting the self-regulation effect of the first control level. This subordination of the controller of the second control level is preferably also reflected in the settings of the control parameter, e.g. in the control time constants, which are set by the third control level in partial load operation for this case of normal operation.
Above a certain speed threshold, which in the embodiment according to fig. 6 corresponds to a speed of approximately 15.5 m-1, the partial load range is left and the operating range with reduced rotor speed for noise limitation is reached. In this operating range designated with II, the control or setting to a constant value of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer is replaced by a feedback control. This feedback control chooses the operating point for the reaction member in such a way that the speed is kept constant in the simplest of cases and is guided generally along a curve which depends on the torque taken up by the wind rotor. According to the predetermined setpoint speed of the wind rotor, the reaction member is now readjusted that as a result of the shifting of the return power flow to the second power branch the transmission ratios change in the power transmission gear and as a result of the constancy of the speed as impressed by the generator a certain setpoint speed is achieved in the first power branch of the power split gear. By making a respective setting of the controller characteristics it is now achieved that the controller readjusts this operating point as a result of a change of the mean wind speed and short-term changes as are produced by wind gusts lead to changes in the speed around this controlled operating point. The self-regulation characteristics of the first control level is used for this purpose and the impulses by the gusts are thus reduced within the terms of short-term energy storage and the short-term increases in the wind power are used for increasing the effective power transmitted by the drive train.
This selection, activation and weighting of the controllers for the second control level which are made for this noise-limited operating range II are performed in accordance with the invention by the third control level. For this purpose, the system and environmental measured variables, and in particular the rotor and generator speed, the generator output and the mean wind speed are processed in the third control level and the present operating range and operating state is determined and based thereon the settings, operating points and operating ranges for the first and second control level are set.
Fig. 6 further shows the transition to full load operation of a wind power plant, which is designated by the reference numeral III. The power input of the wind power plant must be kept constant. This is achieved by adding a controller from the second control level to the still used controller for the reaction member of the hydrodynamic speed transformer. This concerns a controller for the angular blade position of the wind rotor, a so-called pitch controller. The respective choice of controllers for the second control level is initiated in accordance with the invention by the third control level.
The operating range "speed-controlled range for noise reduction" which is marked in fig. 6 with numeral II can assume different values depending on the place of erection of the wind power plant or can even be omitted for the offshore region for example, so that it is possible to move from partial load range or parabolic load operation I directly to power-limiting full load range III.
Based on different operating states of the wind power plant, which can be the start phase, stop phase, synchronization phase, there are further requirements to which the control system of the wind power plant needs to respond. Even in case of events or requirements in connection with the electric grid to which the system is coupled (this can concern a short circuit, power reduction or requirement for reactive power) there can be a choice of controllers by the third control level. It is preferable when in the case of such a grid requirement the power controller for the generator of the second control level is activated by the third control level.
A further example for the different controller activities is shown in the sequence of figures 8a to 8f. This concerns the start and stop phase of a wind power plant. When the wind power plant starts up, the angular blade position is regulated in such a way that only a part of the maximum power is taken from the wind flow. This power is sufficient to achieve the acceleration of the wind power plant to a desired speed. The controller for the angular blade position of the wind rotor, the so-called pitch controller, is controlled in such a way that the unit reaches the region of the generator speed. The reaction member of the hydrodynamic speed transformer of the first control level is then controlled in such a way that the actual generator speed corresponds to the setpoint speed at a slight pole deviation. This setpoint (generator speed with slight pole deviation) is inherent value of the system and can therefore be predetermined. Similarly it is also possible to adjust this initial adjusting setting for the reaction member by a feedback control. Once the setpoint speed with slight pole deviation of the generator has been reached, there is a synchronization with the electric grid. After the synchronization there will be full power take-up by turning the rotor blade position into the wind. From this time the rotor blade position is preferably no longer actively controlled and remains at the predetermined value.
When initiating a braking phase, the rotor blade controller can be reactivated, which is shown in fig. 8e for example. The rotor blades are turned out of the wind by adjusting the rotor blade pitch angle.
A possible operating state to which the third control level responds is a load shedding, as occurs in a sudden loss of a large consumer and especially in case of the interruption of a supergrid connection for reversing a grid instability. The wind power plant suddenly loses its energetic equilibrium. The active power supplied to the wind power plant by the air flow can no longer be supplied to the grid in the form of electric power. Rotor, hub and drive train are accelerated and the excess power is converted into kinetic energy of the rotating masses. If the rotational speeds of the rotating parts exceed the constructionally predetermined thresholds it is possible that the rotor, generator rotor, shafts and bearings are damaged or are destroyed completely. Damage to rotating parts principally represents a safety risk and needs to be avoided under all circumstances. In order to avoid such a safety-critical state, a separately provided feedback control algorithm is installed in the third control level as described above. The controllers of the second level are moved from the operating state valid at the time to the operating state of "load shedding". This operating state is principally characterized in that the blade angles are turned out of the wind with their maximum adjustment speed. This measure ensures that the power supplied to the wind power plant by the air flow is reduced as quickly as possible. After passing through the zero passage, energy is taken from the rotor. The unit is delayed for such a time until it has reached a secure operating state again. Furthermore, the controller for the reaction member in the torque converter is influenced in the second control level as described above in such a way that the generator rotor is accelerated as little as possible beyond its rated speed and can also be braked securely. For this purpose it is necessary to ensure that the hydrodynamic coupling in the torque converter assumes its highest value. The actuator in the torque converter is guided accordingly. These two control characteristics ensure that not only the rotor and generator rotor of the wind power plant but also the turbine in the superposition branch do not reach any excess speed, which is critical to safety or for causing damage.
The stator of the generator is connected at least indirectly for power transmission with the electric grid. If the production of electric power concerns a synchronous generator, its operational behavior can be influenced via the excitation voltage on the rotor. If a voltage dip occurs in the electric grid, the third control level as described above must influence the excitation control for the generator from the second control level in such a way that the wind power plant is subjected to the lowest possible load and the grid is supported in the best possible way.
The power taken by the rotor from the air flow and is supplied to the wind power plant is proportional to the so-called power coefficient cp and proportional to the third power of the wind speed. The wind speed, which is required for generating at least the electric nominal power, is also referred to below as nominal wind speed. If the prevailing wind speed exceeds the nominal wind speed, the active power supplied to the wind power plant from the air flow needs to be limited. For this purpose, the pitch controller is activated in the second plane through the third control level as described above, so that the pitch angle is increased according to the active power which is in excess of the rated power until the electric rated power of the wind power plant is no longer exceeded. Similarly, the pitch angle is decreased in the case of falling below the electric rated power until the power coefficient cp reaches its maximum and the rotor takes up the maximum power from the air flow.
As a result of the temporally changing behavior of the consumers in the electric grid, the grid operator may require an alternating demand of capacitive or inductive reactive power from the generating unit. This demand can simply be satisfied through a synchronous generator as an electric machine via excitation. For this purpose, the capacitive or inductive reactive power demand as requested by the grid operator is converted through the above-mentioned controller of the third level into a setpoint value of the excitation voltage of the excitation control of the second level. The excitation control of the second level ensures that the excitation voltage is influenced in the form that the reactive power transmitted by the wind power plant to the electric grid corresponds to the value required by the grid operator.
It is further possible, depending on useful life, load collectives and maintenance intervals, to introduce a hold-off operating state. This may concern an early twisting of the wind power plant out of the wind in case of gusty wind conditions, which is achieved through the rotor blade position. Moreover, a special operating state can be defined for the test phase after the erection of the wind power plant or for revision purposes. It is also possible that certain operating states of the wind power plant can occur at the same time, i.e. in combination, which then leads to an adjusted influence of the third control level on the second control level.
Fig. 8 shows an exemplary illustration of the configuration of the control of the wind power plant in at least three control levels as an example for the control of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer. The operating area II of fig. 6 is assumed, in which the speed of the wind rotor is guided for noise limitation. In the present simplified case, merely the controller of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer of the second control level is activated for achieving this goal of the third control level, with a setpoint being predetermined by the third control level for the rotor blade speed. A comparison between actual value and setpoint value for the rotor speed is performed at the second control level, with the thus determined controller deviation representing the input variable of the controller for the reaction member of the hydrodynamic speed transformer. In the present case, a PD-controller with an I-controller connected in outgoing circuit is used. Within the scope of the invention it is possible to use a plurality of other control approaches such as a fuzzy control or state control.
As the output value, the controller for the reaction member of the hydrodynamic speed transformer predetermines a setpoint setting between the thresholds 0 and 1 for the first control level. An underlayed controller for the reaction member is used in the present embodiment in the first control level for setting to a certain predetermined value for the reaction member. In the present simplified case, a P-controller is used for this purpose, which controller acts upon the system of the actuating device for the reaction member. It has a system behavior, which is characterized in a simplified way by the proportional behavior of the oil flow depending on the position of the outlet opening and the integrating behavior of the hydraulic actuator.
The actual position of the reaction member influenced via the underlayed positioning controller acts back on the wind rotor in the aforementioned hydrodynamic drive train in accordance with the invention (which is not shown in fig. 8) in conjunction with the generator. The feedback of the actual rotor speed for the setpoint/actual value comparison at the second control level is also not shown in detail.
3.Brief Description of the Drawings
Fig. 1 shows three control levels in accordance with the invention for a wind power plant with hydrodynamic gear;
Fig. 2 shows a schematic representation of the first control level of a torque-divided wind power plant in accordance with the invention with a speed transformer on the driven side;
Fig. 3 schematically shows the active power curve at the best point of a wind power plant;
Fig. 4 shows the power flows and speeds of the individual branches of the mechanical hydrodynamic drive train of the first control level depending on the wind turbine speed;
Fig. 5 shows the power flows and settings of the reaction member of the mechanical hydrodynamic drive train depending on the wind turbine speed;
Fig. 6 shows different operating ranges for a wind power plant;
Fig. 7 shows different operating states for a wind power plant;
Fig. 8 outlines an embodiment of control of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer for setting the speed of the wind rotor.
CLAIMS:
１．  A wind power plant with at least three control levels;
１．１  with the first control level comprising a wind rotor, a power split gear (5) which is driven at least indirectly by the wind rotor (3) and comprises a first and second power branch (7, 18), a hydrodynamic speed transformer (12) with at least one reaction member (15) which takes up power from the first power branch (7) and produces a feedback of power via the second power branch (18) to the power split gear (5) depending on the setting of the reaction member (15), as well as a generator (11) which is driven at least indirectly by the first power branch (7) and emits electric power to an electric grid with constant system frequency;
１．２  the combination of power split gear (5) and hydrodynamic speed transformer (12) of the first control level corresponds in its characteristics substantially to the power input of the wind rotor (3) in the case of efficiency-optimal speed guidance;
１．３  the setting of the reaction member (15) of the hydrodynamic speed transformer (12) is controlled in the first control level;
１．４  the second control level comprises a controller for the angular position of the rotor blades and/or a controller for setting the reaction member of the hydrodynamic speed transformer and/or a controller for the power electronics of the generator;
１．５  the third control level activates and deactivates and/or weights the controllers of the second control level and/or predetermines setpoint characteristics for the same depending on the operating states of the wind power plant and/or the electric grid and/or the wind characteristics.
２  A wind power plant with three control levels according to claim 1, characterized in that the controllers of the second control level are preferably deactivated for normal operating state and partial load conditions and the angular position of the rotor blades and the setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer assume a fixed predetermined value, with the setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer being chosen in such a way that the speed guidance of the wind rotor is substantially efficiency-optimal and the generator speed is substantially constant.
３  A wind power plant with at least three control levels, characterized in that the controller for setting the reaction member of the hydrodynamic speed transformer is activated in normal operations above a fixed speed threshold of the wind rotor, with the speed of the wind rotor assuming a predetermined value or value range.
４  A wind power plant with at least three control levels according to claim 3, characterized in that a predetermined speed value or speed value range for the wind rotor is determined by the third control level.
５  A wind power plant with at least three control levels according to claim 3 or 4, characterized in that the determined speed of the wind rotor assumes a substantially constant value or a constant value range.
６  A wind power plant with at least three control levels according to claim 3 or 4, characterized in that the determined value or value range of the wind rotor speed is determined depending on the moment attacking the wind rotor.
７  A wind power plant with at least three control levels according to claim 1, characterized in that the controller for the angular position of the rotor blades and the controller for setting the reaction member of the hydrodynamic speed transformer are activated in normal operation under full load.
８  A wind power plant with at least three control levels according to claim 1, characterized in that the controller of the power electronics of the generator is merely activated in case of a grid demand for power and/or reactive power.
９  A wind power plant with at least three control levels according to claim 1, characterized in that the controllers of the second control level are activated and deactivated in such a way that a graduated transition occurs from one operating state or operating condition to another operating state or another operating condition.
１０  A wind power plant with at least three control levels according to claim 1, characterized in that the operating states which are considered and defined by the third control stage comprise the start phase, the synchronization phase, the stop phase, the load shedding, a short circuit, a demand for reactive power and a reduction in power.
１１  A wind power plant with at least three control levels according to claim 1 to 10, characterized in that at least the operating states of partial load under parabolic power input and full load are present.
１２  A method for the control of a wind power plant, 
１２．１  with the setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer being controlled in a first control level comprising a wind rotor, a power split gear driven at least indirectly by the wind rotor and comprising a first and second power branch, a hydrodynamic speed transformer with at least one reaction member taking up power from the first power branch and producing a power feedback via the second power branch to the power split gear depending on the setting of the reaction member, as well as a generator driven at least indirectly by the first power branch and emitting electric power to an electric grid with constant system frequency, with the combination of power split gear and hydrodynamic speed transformer of the first control level corresponds in its characteristics substantially to the power input of the wind rotor under efficiency-optimal speed guidance, and
１２．２  in a second control level comprising a controller for the angular position of the rotor blades and/or a controller for the setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer and/or a controller of the power electronics of the generator the controllers are activated and deactivated and/or weighted and/or predetermined according to said setpoint characteristics by a third control level depending on the operating states of the wind power plant and/or the electric grid and/or the wind characteristics.
1. Abstract
The invention relates to a wind power plant with at least three control levels;
−  the first control level comprises a wind rotor, a power split gear which is driven at least indirectly by the wind rotor and comprises a first and second power branch, a hydrodynamic speed transformer with at least one reaction member which takes up power from the first power branch and produces a feedback of power via the second power branch to the power split gear depending on the setting of the reaction member, as well as a generator which is driven at least indirectly by the first power branch and emits electric power to an electric grid with constant system frequency;
−  the combination of power split gear and hydrodynamic speed transformer of the first control level corresponds in its characteristics substantially to the power input of the wind rotor in the case of efficiency-optimal speed guidance;
−  the setting of the reaction member of the hydrodynamic speed transformer is controlled in the first control level;
−  the second control level comprises a controller for the angular position of the rotor blades and/or a controller for setting the reaction member of the hydrodynamic speed transformer and/or a controller for the power electronics of the generator;
−  the third control level activates and deactivates and/or weights the controllers of the second control level and/or predetermines setpoint characteristics for the same depending on the operating states of the wind power plant and/or the electric grid and/or the wind characteristics.
2.Representative Drawing:  Fig.1
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図8】
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