(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（１００）は、ロータハブおよびブレード角度を調整可能なロータブレード（２０２）を有する空力ロータ（１０６）を有し、
前記空力ロータ（１０６）は、その方位に関して調整可能であって、
卓越風が強すぎて前記風力タービン（１００）が自己防護目的で惰行モードに移行する嵐の状況を検出するステップと、
方位角位置に関して、風に対して前記ロータ（１０６）を、主風向きを指す低負荷方向に向け、その方向では前記風力タービン（１００）が主風向きから風によってできる限り少ない負荷を受けるステップと、
主風向きとは異なる向きの突風によって引き起こされ前記ロータに作用する少なくとも１つの負荷（ＬＭ）を検出するステップと、
前記主風向きとは大きく異なる方向の前記突風がある場合にのみ、少なくとも１つの前記ロータブレード（２０２）が原因となる突風によって可能な限り小さい負荷を受けるように、そのブレード角度に関して少なくとも１つの前記ロータブレード（２０２）を調整するステップと、
を備えている風力タービン（１００）の運転方法。
【請求項２】
少なくとも１つの前記ロータブレード（２０２）は、検出されたブレード負荷（ＬＭ）に応じて調整され、前記検出されたブレード負荷（ＬＭ）は、負荷制御装置に入力され、前記負荷制御装置は、前記負荷（ＬＭ）が最小化されるように、前記検出された負荷（ＬＭ）に応じて前記ロータブレード（２０２）のブレード角度を調整する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの負荷センサ（２０８）が、前記ロータブレード（２０２）上に、または、各ロータブレード（２０２）ごとに前記ロータブレード（２０２）を前記ロータハブに締結する領域に、設けられており、
前記負荷信号（ＬＭ）によって検出される負荷（ＬＭ）を最小化するため、または少なくとも減少させるために、前記負荷信号に応じて前記ロータブレード（２０２）の調整を実行するために、少なくとも１つの前記負荷センサ（２０８）から前記ロータブレード（２０２）の制御装置（３３４）へ負荷信号（ＬＭ）がフィードバックされる、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ロータ（１０６）を風に対して低負荷の向きに向けると、前記ロータブレード（２０２）はフェザー位置に移動し、この位置から出発して各前記ロータブレード（２０２）は、フェザー位置に対する角度偏差についてのそのブレード角度に関して、それぞれ調整される、
請求項１から３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
そのブレード角度に関する少なくとも１つの前記ロータブレード（２０２）の調整は、まず、風の原因となる突風が以下の基準を含むリストから選択される少なくとも１つの基準を満たす場合に実施される、
−原因となる風の突風は、所定の限界風速の突風を上回る風速を有する、
−原因となる風の突風は、少なくとも所定の風速差だけ卓越風の平均風速を上回る風速を有する、
−原因となる突風は、少なくとも所定の風向差だけ大きさに関して前記主風向きから逸脱する風向きの突風を有する、
請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項６】
前記突風は、風速および風向きに関して検出される、
請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
各ロータブレード（２０２）は、検出された突風に応じて、フェザー位置よりも大きいブレード角度と小さいブレード角度の両方をとる、
請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
風力タービン（１００）は、ブレード角度を調整可能なロータブレード（２０２）を有する空力ロータ（１０６）を備え、
前記空力ロータ（１０６）は、その方位が調整され、
運転状態に基づいて、５０年に１度の暴風状況および／または１年に１度の暴風状況の場合に予想される減少したタービン負荷を確認するステップと、
前記風力タービン（１００）が自己防護目的で惰行運転モードへ移行するステップと、
前記ロータ（１０６）は、その方位位置に関し、風に対して、主風向きを指す低負荷方向に向けられ、前記風力タービン（１００）が、主風向きからの風によって可能な限り小さい負荷を受けるステップと、
前記主風向きとは大きく異なる方向の前記突風がある場合にのみ、各ロータブレード（２０２）は、それぞれの場合において、前記ロータ（１０６）の領域で作用する突風によって可能な限り小さい負荷を受けるように、そのブレード角度が調整されるステップと、
を備え、
前記風力タービン（１００）は、この方法で確認された予想される減少したタービン負荷のために設計されている、
風力タービン（１００）の設計方法。
【請求項９】
予想される減少したタービン負荷の確認は、負荷シミュレーションによって実施される、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ブレード角度を調整可能なロータブレード（２０２）を有する空力ロータ（１０６）を備え、
前記空力ロータ（１０６）は、その方位を調整可能であって、
以下のステップを含む方法を実行するために、前記風力タービン（１００）は、セットアップされ、
卓越風が強すぎて前記風力タービン（１００）が自己防護目的で惰行モードに移行する嵐の状況を検出するステップと、
方位角位置に関して、風に対して前記ロータ（１０６）を、主風向きを指す低負荷方向に向け、その方向では前記風力タービン（１００）が主風向きから風によってできる限り少ない負荷を受けるステップと、
前記ロータ（１０６）の領域に作用する主風向きとは異なる向きの少なくとも１つの突風を検出するステップと、
前記主風向きとは大きく異なる方向の前記突風がある場合にのみ、少なくとも１つの前記ロータブレード（２０２）が、検出された突風によって可能な限り小さい負荷を受けるように、そのブレード角度に関して少なくとも１つの前記ロータブレード（２０２）を調整するステップと、
を備えている風力タービン（１００）。
【請求項１１】
請求項１から７のいずれか１項に記載の方法を実行するように設定された、
請求項１０に記載の風力タービン（１００）。
【請求項１２】
少なくとも１つの負荷センサ（２０８）が前記ロータブレード（２０２）、あるいはそれぞれのロータブレードのために前記ロータブレード（２０２）を前記ロータハブへ取り付けた領域に設けられており、
前記負荷信号（ＬＭ）によって検出される負荷を最小にするため、または少なくとも減少させるために、前記負荷信号に応じて前記ロータブレード（２０２）の調整を実行するために、前記負荷センサ（２０８）から負荷信号を前記ロータブレード（２０２）の制御装置（３３４）にフィードバックするために信号送信装置が設けられている、
請求項１１に記載の風力タービン（１００）。
【請求項１３】
前記ロータブレード（２０２）を調整するブレード調整装置（２２４）が各ロータブレード（２０２）ごとに設けられており、
前記ロータブレード（２０２）のブレード角度の調整を実施するために、各ロータブレード（２０２）ごとに専用の制御装置（３３４）が設けられており、
前記制御装置（３３４）は、前記負荷信号（ＬＭ）によって検出される負荷（ＬＭ）を最小にするために、または少なくとも減少させるために、前記負荷センサ（２０８）から負荷信号（ＬＭ）を受信し、前記ブレード角度の調整を実施するために、前記信号に応じてブレード調整装置（２２４）を制御するように設計されている、
請求項１２に記載の風力タービン（１００）。
【請求項１４】
前記負荷制御装置は、前記負荷制御装置がＰＩコントローラまたはＰＤコントローラとして具体化される、
請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
前記風力タービン（１００）は、プログラムされたプロセスコンピュータ（３３４）を有している、
請求項１０に記載の風力タービン（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービンの運転方法に関する。本発明はまた、風力タービンの設計方法に関する。本発明はまた、風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンが知られており、本発明は特に、少なくとも１つ、通常３つのロータブレードを有する空力ロータが実質的に水平なロータ軸の周りを回転する従来のいわゆる水平軸風力タービンに関する。風力タービンの運転中、前記風力タービンは、そのロータによってまたはそれに応じて回ロータ軸線によって風に対して配向される。したがって、前記風力タービンは、その方位角位置を風の中に向けて配向されている。各ロータブレードのブレード角度を調整することができる風力タービンも基本とされている。この場合、ロータブレードの位置をそれぞれの運転条件に一致させるために、ロータブレードはその長手方向軸を中心に調整される。
【０００３】
風力タービンが運転していない場合、少なくとも電流が発生していない場合には、このようにして上記の種類の嵐に対して、特に嵐の状況において、できるだけ小さい攻撃面を提供するために、ロータブレードは通常、フェザー位置に回転させられる。この場合、フェザー位置とは、部分的な負荷モードでの動作位置に対してロータブレードが実質的に９０度回転する位置である。簡単に言えば、それらは風に対して、少なくとも各場合において各ロータブレードの１つの部分においてほぼ平行である。
【０００４】
ここで注意すべきことは、この種の嵐の発生方向は一般に前もって知られていないため、それでもやはり前記種類の嵐の風向が悪くてもフェザー位置にもかかわらず高い負荷が発生する可能性がある。これに対処するために、非作動時、すなわち能動的に電流を発生させていないときには、その方位角方向に関して風力タービンを風に向けるようにしてもよい。
しかしながら、この種の方位角位置の調整は、嵐がどのように発生するかにもよるが、依然として風力タービンの高負荷をもたらす可能性がある。嵐の間に異なる風向きが発生し、いわゆる斜めの入射流が発生する場合、それは特に問題となる可能性がある。
【０００５】
本願の優先権主張出願について、ドイツ特許商標庁は、以下の先行技術文献をサーチした：独国特許出願公開第１０ ２０１４ ２２３ ６４０号明細書、米国特許出願公開第２０１４／００１０６５１号明細書、記事「Hurricane-Induced Loads on Offshore Wind Turbines with Considerations for Nacelle Yaw and Blade Pitch Control by E. Kim et al., Wind Engineering, Volume 38, 2014, pages 413-423」。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０ ２０１４ ２２３ ６４０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／００１０６５１号明細書
【非特許文献１】記事「Hurricane-Induced Loads on Offshore Wind Turbines with Considerations for Nacelle Yaw and Blade Pitch Control」 by E. Kim et al., Wind Engineering, Volume 38, 2014, pages 413-423」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって、本発明の目的は、上述した問題の少なくとも1つに対処することである。特定の目的は、風力タービンが暴風時の機械的負荷に対して可能な限り保護される解決策を提案することである。その目的は、少なくともこれまでに知られている解決策に代わる解決策を提案することである。
本発明は、請求項１に記載の方法、具体的には、風力タービンを制御するための方法を提案する。ここで、制御は、厳密な制御理論の意味で理解されることを意図するものではなく、むしろ、異なるタービン部品を制御することができるタービンコントローラの意味で理解されることを意図しており、これは、情報のフィードバックを含む。
【０００８】
したがって、この方法は、ブレード角度が調整可能なロータブレードを有する空力ロータを有する風力タービンから進行する。ロータブレードのこの種のブレード角度の調整は、ピッチングとも呼ばれる。
空力ロータは、その方位方向に関して調整され、これは、通常、空力ロータが設置されているナセル全体をその方位方向に関して、すなわち、風に関連するその方向性に関して、調整されることによって行われる。
【０００９】
この方法は、最初に、暴風雨状況を検出することを提案する。ここでは、卓越風が強すぎて風力タービンが自己防護目的で惰行モードに動かされるときに暴風雨の状況が存在する。したがって、風力タービンは、もはや電流を生成せず、ロータは自由に回転することができる。しかしながら、この場合、ロータブレードは、簡単のために、ここでは単にロータと呼ばれる空力ロータが目標とする方法で風によって駆動されないように設定される。しかしながら、特に、ロータもまた固定されていない。
【００１０】
さらに、突風によってロータに生じる少なくとも１つの負荷が検出される。特に、これは、例えば、各ロータブレードの根元領域において、各ロータブレードにかかる負荷を測定することによって行われる。簡単にするために、ここで検出された各負荷は、突風によってロータに作用する負荷であると考えられ、風力タービンを制御するための記載された方法が起動されるならばさらに処理され得る。しかしながら、限界値としての負荷レベルもまた、突風によってロータに作用する負荷を識別するために、またはその負荷をそのように考慮し、したがってその負荷をさらに処理するために基準として採用することができる。
【００１１】
本発明は、少なくとも１つのロータブレードをそのブレード角度に関して調整すること、すなわちピッチングすることを提案する。これは、少なくとも１つのロータブレードが、検出された負荷によってできるだけ小さい負荷を受けるように行われる。
ここで、ロータブレードへの負荷が大きさおよび方向に関して検出され、ロータブレードがこの突風から完全にまたは少なくとも部分的に回転させられることが特に可能である。これはまた、ロータブレードが前記突風に対して個々のフェザー位置に回転され、その負荷が検出されたことによっても説明される。特に、これはまた、ロータブレードが主風向きに対してフェザー位置を超えて回転されることを意味することができ、これは、前記突風が到来する方向に応じて、ここで、より識別し易いように主にフェザー位置と呼ばれる。前記主なフェザー位置が、例えば、主風向きに対して９０度の値を有する場合、本発明は、前記９０度を超えてより高い値までブレードを回転させること、または、この例では、負荷方向に応じて前記９０度よりも低い値まで前記ブレードを回転させることを提案する。
【００１２】
よって、特に、突風は、必ずしも主風向きから到達する必要はないが、むしろロータに斜めの入射流を形成する可能性があることも確認されている。この場合、風車の方位角位置が主風向きに向いているときの主風向きに対するロータブレードの主なフェザー位置は、別の方向から到来する突風に関して個々のフェザー位置ではない。これは、提案されているロータブレードの調整によって考慮される。この場合、ロータのその方位位置における姿勢、すなわちその方位姿勢を維持することができる。
【００１３】
少なくとも１つのロータブレードは、検出されたブレード負荷に応じて調整されることが好ましく、検出されたブレード負荷は、負荷制御装置に入力され、負荷制御装置は、負荷が最小化されるように、検出された負荷に応じて問題のロータブレードの角度を調整する。したがって、負荷に応じてブレード調整を実行する制御構成または制御ループがここで提案される。このために、負荷の設定値／実際値の比較が実行される。この場合、負荷の設定値は、０であることが好ましい。この場合、検出された負荷は、数学的符号を用いて、考慮に入れることもできる。この目的のために、２つの可能な負荷方向のうち、正の負荷として定義し、他方を負の負荷として定義することが可能であり、その場合、正の負荷は一方向におけるロータブレードの調整をもたらし、負の負荷は、反対方向へのロータブレードの調整をもたらす。
【００１４】
ここで使用される負荷方向は、突風によって生じる負荷の方向に対応することができる。
この目的のために、本発明は、好ましくは、ＰＩコントローラを用いることを提案する。設定値負荷と実際の負荷との間の記載された設定値／実際値の比較が、設定値角度を出力値として供給するＰＩ要素に渡されるように、ＰＩ制御装置を設けることができる。この設定点角度は、例えば、フェザー位置からの偏差を識別することができるため、値０は、フェザー位置、特に主なフェザー位置に対応する。負荷設定値が０の場合、検出された負荷はＰＩエレメントに直接渡される。
【００１５】
一実施形態によれば、負荷制御装置のためにまたは負荷制御装置として、ＰＤ制御装置が設けられている。急速に発生し急速に変化する負荷に対する迅速な応答は、この種のＰＤコントローラによって達成することができ、特に、急速に発生して急速に変化する負荷が予想されることが確認されている。基礎として考えられる嵐の状況では、風が絶えず変化していることもまた確認されており、したがって、静止精度のためにコントローラを設計することは厳密には必要ではない。
【００１６】
本発明は、好ましくは、ロータを風に対して低負荷の向きに向けると、ロータブレードはフェザー位置に動かされ、そしてこの位置から出発して、各ロータブレードは、フェザー位置に対する角度の偏差に関してブレードの角度に関して個々に調整される。ここで、本発明は特に、主風向きに関するこのフェザー位置が、負荷低減角度調整のための開始位置であることを提案する。提案された調整はまた、このフェザー位置、すなわち主なフェザー位置にも関連することができ、対応する作動変数は、このフェザー位置に関して、予め特定されるかまたは定義される。
【００１７】
一実施形態では、各ロータブレードに対して少なくとも１つの負荷センサが設けられる。前記負荷センサは、一例を挙げれば、例えば、歪みゲージとすることができる。前記少なくとも１つの負荷センサは、ロータブレード上、特に、ロータブレードのブレード根元の領域、またはロータブレードをロータハブに固定する領域に設けることができる。一例として、ロータブレードがブレードアダプタによってロータハブに固定されることが可能である。この場合、負荷センサはまた、ブレードアダプタ上に、またはロータブレードからブレードアダプタへの移行部に、またはロータブレードからまたはブレードアダプタからハブへの移行領域に配置することもできる。いずれにせよ、前記負荷センサは、問題のロータブレードの負荷を個々に検出するために設けられている。
【００１８】
前記負荷センサは、負荷信号を発生させ、この負荷信号は、ロータブレードの制御装置にフィードバックされる。よって、制御装置は、各ロータブレードに対して設けられているか、または中央制御装置の場合には、少なくとも個々のロータブレード毎に個々の制御関連の考慮がなされている。制御装置への負荷信号の前記フィードバックは、前記負荷信号によって検出される負荷を最小にするか少なくとも減少させるために、前記負荷信号に応じてロータブレードの調整を実行するために使用されることを意図している。したがって、本発明は、各個々のロータブレードの負荷信号に基づいて、各ロータブレードを個別に制御することを提案する。したがって、負荷軽減モードは、特に、効果的な方法で各ロータブレードに対して個別に実施される。
【００１９】
この目的のために、信号送信装置が設けられていることが好ましく、この信号送信装置は、この種の負荷信号を負荷センサから制御装置に送信する。この種の信号送信装置は、各ロータブレードに設けられることが好ましく、前記信号送信装置は、ケーブルで接続されてもよく、および／またはケーブルなしでデータ送信を提供してもよい。
専用の制御装置が各ロータブレードに対して設けられることが好ましく、前記制御装置は、ロータブレードを調整するためのブレード調整装置に隣接して配置されることが好ましい。したがって、負荷センサを使用して、個々のロータブレードごとに、負荷を検出して問題のロータブレードの制御装置に渡すことができる。制御装置は、前記負荷に応じて、特に負荷センサによって検出される負荷が最小限に抑えられ、少なくとも軽減されるように、ブレード調整装置を作動させることができる。
【００２０】
一実施形態では、検出された負荷に対する風の突風が原因でロータに作用する風の原因となる突風が、以下の基準の少なくとも１つを満たす場合には、少なくとも１つのロータブレードのブレード角度に関する調整が最初に行われることを提案する。具体的には、原因となる風の突風は、所定の限界風速の突風を上回る風速を有すること、風の原因となる突風は、少なくとも所定の風速差だけ、卓越風の平均風速を上回る風速を有すること、および／または、因果的な突風は、少なくとも所定の風向差だけ大きさに関して主風向きから逸脱する突風方向を有すること。
【００２１】
したがって、少なくとも１つのロータブレードの調整は、すべての場合において行われるのではなく、むしろ、特に、強い突風があるとき、および／または主風向きとは大きく異なる方向の突風があるときにのみ行われる。突風の強さは、特に、ロータブレードに対する負荷の負荷検出によっても検出される。
この目的のために、一態様によれば、風速の所定の限界突風を基礎として捉えることができる。前記風速の限界突風を超えると、調整が開始される。それに加えてまたはその代わりとして、基準としての所定の風速差もまた基礎としてとられることができる。この場合、チェックされるのは風の突風の絶対速度ではなく、むしろ風の突風が卓越風の平均風速をどの程度強くまたはどの程度上回るかである。ここでは、例えば、検出された風速の１０分平均を基準とすることができる。このようにして、原則として風速のある程度の変動が考慮される。例えば、風速の限界突風と風速差を超えた場合にのみ調整が行われることによって、両方の基準が同時にチェックされ、基準として採用されることも可能である。しかしながら、この場合、それぞれの場合において、風速の限界突風および／または風速差をより低い値に規定することが好都合であり得る。
【００２２】
さらなる態様は、主風向きからの風向の突風における偏差の程度をチェックすることを提案する。この目的のために、所定の風向きの差が基礎とされる。これは、いわゆる斜め入射流としての主風向きからの特に大きな逸脱が特に危険であり、少なくとも特に厄介であり得るという知識を利用する。この態様はまた、上述の２つの態様と組み合わせることができる。１つの可能性は、全ての基準が同時に満たされることであり、対応する所定の限界値はそれに応じて適応される、すなわち低減されることが好ましい。平均風速および／または風向きの突風を超える風速の突風および／または風向の突風を、それぞれの場合に重み付け係数を与えて合計し、限界としての共通基準とそれらを次の値と比較することも可能である。したがって、前記共通基準は、風速の所定の限界突風、所定の風速差、および／または所定の風向方向差の合計に、それぞれ重み係数を乗じたものとすることができる。重み付け係数はまた、異なる物理的単位、具体的には一方では風速、および他方では風向を考慮に入れることもできる。
【００２３】
特に、少なくとも１つのロータブレードの調整が行われるべきか否かをチェックするための突風及びその風速、並びにまた突風の方向の検出は、少なくとも１つのロータブレードに対する負荷測定に基づいて実行することもできる。運転制御装置は、基本的に、方位角位置でのロータの向きおよびそれぞれ設定されたブレード角度を知っている。さらに、それ自体の回転方向におけるロータのそれぞれの位置も知られている。換言すれば、特に、ロータ軸の周りのロータの回転に関して、各ロータブレードが位置する位置は既知である。この情報を使用して、ロータブレードの領域内の風速および風向きも、ロータブレードへの負荷から推定することができる。それゆえ、突風のための前記基準は、それからも推定することができる。
【００２４】
さらに、ロータブレードの調整が行われることを意図されている前記基準は、それらが超えられたときにロータブレードの調整を直ちにもたらすことを意図された最小基準である。言い換えれば、それは必ずしも問題の風の突風を最初に測定することの問題ではなく、むしろ閾値を超えるかどうかを確定することだけである。この閾値を超えると、ロータブレードの調整が開始され、その後、風の突風もその風速に関してさらに増大する可能性がある。
【００２５】
特に、上記または下記の負荷軽減モードの起動は、風力タービンがもはや突然電力を電力供給網に供給することができず、したがって惰行モードで動作する停電に対しても可能である。特にこの場合、嵐の状況が全く存在せず、特にこの場合、したがって極端な負荷が予想されないこともあり得るため、本発明は、あらゆる場合において負荷軽減モードを起動しないことを提案する。
【００２６】
方位角位置でのロータの低負荷方向は、主風向きを向く方向であることが好ましい。したがって、本発明は、その方位角位置に関して、風力タービンが可能な限り主風向きに配向されることを提案する。ここで、主風向きは、例えば、約１０または２０秒続く斜入射流を伴う突風の場合に方位角位置の更新が行われるように、持続的な平均値で考慮に入られ、すなわち、方位調整のために可能な最大調整速度で実行される必要はなく、および／または、直ちに実行される必要はない。
【００２７】
突風は、風速および風向きに関して検出されることが好ましい。惰行モードにおける少なくとも１つのロータブレードの上述の負荷依存調整は、少なくとも強い突風が発生したときにのみ作動されることが有利であり得る。この点において、強い突風は、上で説明した基準のうちの少なくとも１つを満たすものである。例えば、惰行モードにおけるこの種の負荷に依存したブレード調整は、対応する強い突風が発生するまで最初に停止させることができる。この場合、負荷に依存する調整は、惰行モードではまだ実行されていないか、またはこの種の最初の強い突風に応答して遅延のみを伴って実行されてもよいことを受け入れることが可能である。ここで、本発明は、この種の厄介な風の突風が風力タービンの耐用年数を実質的に短くすることがあるが、それらが一度発生すると通常、風力タービンを直接損傷することができないことを考慮に入れる。したがって、風力タービンに負荷をかける強い突風の後、提案されたロータブレードの調整によって考慮されるのはさらに後続の突風だけで十分であってもよい。
【００２８】
一般に風力タービンに関して風速および風向きに関して風の突風を考慮に入れること、すなわち前記風の突風が、まだ考慮されていないために運転中にロータが通過するロータ表面全体に分配される程度に関しても可能である。したがって、風力タービン全体に厳しい負荷を受ける突風が発生しているかどうかに関して風力タービン全体について最初にチェックが行われ、したがってこの種のさらなる突風も予想される。その後、負荷軽減モードを起動することができる。ここで、負荷軽減モードは、突風によって引き起こされる負荷が低減されるように、特に最小限に抑えられるように、少なくとも１つのロータブレード、すなわちブレード角度に関して個々にロータブレードを調整するモードである。したがって、本発明は、この負荷軽減モードを風力タービン全体に対して作動または非作動にすることを提案しているが、作動する負荷軽減モードの場合には、負荷低減調整を各ロータブレードに対して個別に実施する。
【００２９】
迎角に関してロータブレードを調整するための調整駆動装置の過剰な動作は、風力タービンに強い負荷をかける突風が発生しているかどうか、または全く予想できるかどうかを事前にチェックすることによって回避することができる。
各ロータブレードは、検出された突風に応じて、フェザー位置、特に主なフェザー位置よりも大きいブレード角度と小さいブレード角度の両方をとることができることが好ましい。今日まで、ブレード角度が約０度または数度であるときの部分負荷モードでの動作位置から、一般に、約９０度であるフェザー位置まで、ロータブレードの調節を制限することが慣例であった。この種の制限は一般に、ロータブレードの過度の回転を防止する機械的スイッチによっても規定されていた。ここで、本発明は、この種のスイッチを省き、この９０度位置をかなり超えて回転させること、特に１００°位置を超えて回転させることを可能にすることを提案する。このようにして排除されることを意図された前記安全性チェックは、代わりに、対応するソフトウェア、好ましくは冗長ソフトウェアチェックによって置き換えることができる。この種のチェックは、負荷軽減モードが起動されているか否かを判定することを含むことが好ましい。したがって、負荷軽減モードが起動されると、主なフェザー位置をかなり超えて各ロータブレードを過度に回転させることが許容されるが、この種の主なフェザー位置を超えてロータブレードを調整すると、故障メッセージまたは少なくとも１つの故障メッセージが生じる。負荷軽減モードが無効になっている場合には、警告メッセージが表示される。
【００３０】
本発明はまた、風力タービンを設計するための方法を提案する。この方法のための基礎として、ブレード角度を調整することができるロータブレードを持つ空力ロータ、または、その方位方向を調整することが可能で前記ロータを支持するナセルを備えた風力タービンも同様に考えられる。この設計では、５０年に１回の暴風状況および／または１年に１回の暴風状況に対する予想されるタービン負荷低減が確認されている。
【００３１】
予想されるタービン負荷の低減は、風力タービンが特に自己防護目的のために惰行モードに移動される特定の動作状態に基づいており、ロータは、その方位角位置に関して風に対して低い負荷の向きに向けられ、その向きでは、風力タービンは、主方向からの風によって可能な限り小さい負荷を受け、そして、ブレード角度に関して各ロータブレードは調整され、各ロータブレードは、各場合において、ロータの領域で作用する突風によって可能な限り小さい負荷を受けるようになっている。
【００３２】
したがって、風力タービンは、このようにして確認された予想される低減されたタービン負荷に対して設計されている。特に、ここでは、少なくとも１つの実施形態に従って風力タービンが上述のように運転されること、すなわち、特に、低負荷運転が負荷軽減モードによって実行されることが想定されている。結果として、風力タービン全体がほとんど負荷を受けないことが可能であるだけでなく、風力タービンを設計するときにこれも考慮に入れることができることが確認された。５０年に１度の暴風雨状況が発生する風状況の場合、特に、いわゆる５０年に１度の突風が予想される場合には、負荷軽減モードは、すでにアクティブになっていることに留意すべきである。この種の暴風事態それ自体は、ある時間にわたって発生し、それまでは負荷軽減モードを起動するための基準がある状況下でのみ起動される実施形態が選択された場合には満たされる。同じことが１年に１度発生する嵐の状況にも当てはまる。
【００３３】
一実施形態は、予想される低減タービン負荷の確認を負荷シミュレーションによって実行することを提案する。このような負荷シミュレーションでは、風力タービンの集団負荷を調べたり、さまざまな風の状況を考慮に入れたりすることができる。前記負荷シミュレーションはまた、異なる風の状況の分布、すなわち意図する場所で予想されるように異なる暴風状況を含むことを考慮に入れることができる。この種の負荷シミュレーションは、原則として知られており、定期的に行われる。ここで、本発明は、特に、前記負荷シミュレーションの基礎として、説明した負荷軽減モードを使用して説明した運転管理を行うことを提案する。したがって、負荷シミュレーションでは、斜入射流を伴う、特に好ましくない突風によって対応して弱い負荷を受けるロータブレードが考慮される。したがって、これに関連してより低い負荷が期待できる。負荷シミュレーションは、これを含むことができ、その結果、特に、より費用効果の高い設計が十分な設計であり得るかどうかに関してチェックを行うことができる。
【００３４】
５０年に１度の暴風雨状況に加えて、またはその代わりに、１年に１度の暴風雨状況も考慮に入れることができる。したがって、年に１度予想される年１度の暴風事態もまた、風力タービンの設計に重大な影響を及ぼす可能性がある風力タービンの負荷を構成する。したがって、負荷軽減モードの使用に基づいて確立される予想タービン負荷低減もまた、前記年１度の暴風状況について考慮に入れられる。特に全体的な負荷、特に基礎として考慮される風力タービンの全耐用年数にわたる総負荷を考慮に入れるために、本発明は、５０年に１度の暴風状況と１年に１度の暴風状況の両方を考慮に入れることを提案する。
【００３５】
本発明はまた、ブレードの角度を調整することができるロータブレードを有する空力ロータを有する風力タービンを提案し、空力ロータはその方位角方向に関して調整することができる。この目的のために、風力タービンは、上述の少なくとも１つの実施形態による動作方法を実行するように設定されている。特に、この目的のために、対応するプロセスコンピュータが風力タービン内に設けられている。前記工程は、前記プロセスコンピュータ上でプログラムされる。
【００３６】
さらに、風力タービンは、各ロータブレード上に少なくとも１つの負荷センサ、特に、少なくとも２つの負荷センサを有する。この種の負荷センサは、ロータブレードの根元、あるいはロータブレードをロータハブに接続するブレードアダプタに取り付けることができる。負荷センサは、好ましくは、ロータブレード長手方向軸周りに分布しており、特に、互いに対して９０度ずれて配置されている２つのセンサが各ロータブレードに対して設けられている。このようにして、方向に関してロータブレードへの負荷も検出することができる。
【００３７】
しかしながら、原則として、ブレード毎に単一のセンサでも十分であってもよい。前記センサは、中央領域においてロータブレードの輪郭の弦を横切る負荷を検出するように配置されることが好ましい。
記載された負荷軽減モードは、問題のロータブレードの負荷が最小になるようにブレード調整が行われるように動作することが好ましい。このため、有利なことに、単一のセンサの測定値のみが基準としてとられる。この目的のために、複数のセンサを使用することも可能であって、その場合、１つの提案によれば、両方のセンサの測定値を組み合わせて測定値を形成し、これを制御装置にフィードバックすることができる。しかしながら、風が吹くとき、特に嵐の風が吹くときは、当然のことながら、負荷がロータブレードに作用することに留意すべきである。よって、ロータブレードに掛かる負荷は、０に補正することはできない。しかし、特に、ロータブレードの輪郭の記載された翼弦に対して横方向に発生する負荷は、攻撃風の方向に応じてそれらの数学的符号を変えることができる。例示的に言えば、ロータブレードは２つの方向に曲がることができ、これらの方向の一方は、正の負荷として検出または考慮され、他方は、負の負荷として検出または考慮されることができる。
【００３８】
負荷軽減モードは、好ましくは、ロータブレードが理想的には全く曲がらないように、それぞれのロータブレードが調整されるように動作する。多くの場合、この種の曲げ現象が非調整と比較して少なくとも著しく減少した場合のそれぞれのロータブレードの調整は、もちろん十分である。そのような負荷の完全かつ恒久的な修正、すなわち例示的に説明された曲げ現象の値０への修正は、動的に変化する風の状態のために実現するのが難しい理想的な場合のままであろう。それにもかかわらず、たとえ、それによって理想的なケースが達成されないときでも、この種の制御仕様は策定されることができる。
【００３９】
本発明は、添付の図面を参照しながら実施形態を用いて、例として以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】風力タービンの斜視図。
【図２】負荷軽減モードを実施するための制御図を概略的に示す図。
【図３】ブレード接続領域の詳細の基本概要を概略的に示す図。
【図４】特に負荷軽減モードを起動するための単純化されたフローチャートを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１は、タワー１０２、ナセル１０４を有する風力タービン１００を示す。３つのロータブレード１０８を有するロータ１０６とスピナ１１０とは、ナセル１０４に設けられている。ロータ１０６は、運転時に、風によって回転運動を実行するようにされ、それにより、ナセル１０４内の発電機を駆動する。
図２は、例示的な方法で、負荷軽減モードを実施するために、同様に概略的に示されたロータブレード２０２のブレード角度を制御する制御構造２００を示す。ロータブレード長手方向軸２０４は、ロータブレード２０２内に一点鎖線として概略的に描かれており、翼弦２０６は、同様に、非常に概略的な方法でロータブレード２０２の中央領域に一点鎖線として描かれている。負荷センサ２０８は、同様に、ロータブレード２０２の根元領域２１０に示されている。
【００４２】
負荷センサ２０８は、例えば、翼弦２０６に対して略垂直なロータブレード２０２の曲げ運動２１２にも対応する負荷を受けるように、配置されている。よって、ここでは、前記曲げ運動は、翼弦２０６と実質的に平行に延びる軸の周りの曲げ運動である。言い換えれば、前記曲げ運動は、前縁部２１４と後縁部２１６との間の方向ではなく、例えば、吸い込み側から送出側へ、またはその逆方向への曲げ運動または対応する負荷方向である。図２の概略図には、吸気側と送出側とをあまり明確に示すことができないので、ここでは区別するために前縁部２１４および後縁部２１６を参照する。
【００４３】
この種の方向の負荷、すなわち描かれた双頭矢印による曲げ運動２１２に対応する負荷は、負荷センサ２０８によって受け取られる。負荷センサ２０８は、対応する負荷信号を生成し、これはここではＬＭとして示され、合計点２１８において負荷設定値ＬＳから減算される。設定値ＬＳは、有利には、値０を有することができる。
ｅとも表されるこの設定値／実際値の差は、次いで、ＰＩ制御ブロック２２０に入力される。ＰＩコントローラは、負荷、ひいては負荷の最小化をもたらすブレード調整を特に提案するように提案される。負荷信号ＬＭは、制御偏差ｅが値０を有していても維持される。しかしながら、他の制御装置も使用することができ、または、例えば、Ｄ成分などのさらなる構成要素も、例えば、制御ダイナミクスに任意に影響を与えるために追加することができる。
【００４４】
次に、ＰＩ制御ブロック２２０の結果は、同様に概略的に示されたピッチ駆動装置２２４と相互作用する例示的なピッチブロック２２２に渡される。ピッチブロック２２２およびピッチ駆動装置２２４は、ブレード調整装置またはその一部を形成することができる。次に、ピッチ駆動装置２２４は、指示されたピニオン２２６を介してブレード角度の調整、具体的には、対応する調整信号がＰＩ制御ブロック２２０によって実際に生成されている場合には、実質的にロータブレード長手方向軸２０４の周りの回転を実行する。
【００４５】
図３は、ブレード接続領域３００の概略断面図において、図２の概略図の可能な構造的配置を示す。図３のイラストによるブレード接続領域３００は、ロータブレードの根元領域３１０を含む。前記根元領域３１０は、ハブ部３３２内のピッチベアリング３３０内に回転可能に取り付けられている。ロータブレードの長手方向軸線３０４は、説明のために同様に描かれている。
【００４６】
負荷を検出するために、歪みゲージの形態の負荷センサ３０８が例示的な方法で、根元領域３１０に描かれている。図２の負荷センサ２０８にも同様に適用される、要素の示されている大きさの桁、特に負荷センサ３０８の大きさは、実際の大きさの桁に対応する必要はなく、実質的に明確な説明のために選択されている。
負荷センサ３０８は、負荷信号ＬＭを検出することができ、制御装置３３４に前記負荷信号を伝送することができる。ここで、制御装置３３４は、マイクロプロセッサとして示され、図２の構造の一部、特にそこに示されている合計点２１８およびＰＩ制御ブロック２２０を含むことができる。ピッチブロック２２２も、制御装置３３４の一部とすることができる。
【００４７】
次に、制御装置３３４は、ここでは、モータとして概略的に示されているピッチ駆動装置３２４を作動させることができる。次に、同様に単に示されているだけのピニオン３２６によって、任意の調整仕様を実施することができる。ピニオンを用いたピッチ駆動装置による以外の機構によるロータブレード角度の調整ももちろん可能である。図３は、制御装置３３４がロータブレードの領域、特に、ブレード接続領域３００に配置できることを示している。したがって、この種の制御装置３３４も各ロータブレードに対して設けられており、したがって、対応する制御動作、特に、負荷軽減モードの特定の実施形態では、各ロータブレードについて個別に簡単な方法で実施することができる。
【００４８】
図４の概略プロセス構造４００は、原則として、風力タービンの通常モードから進行する。これは、ノーマルブロック４４０によって示されている。前記ノーマルブロックから開始して、風速Ｖが嵐風速ＶＳよりも大きいかどうかに関して、嵐チェックブロック４４２においてチェックが行われる。そうでない場合、通常モードが継続され、それに応じてプロセスはノーマルブロック４４０に戻る。
【００４９】
しかし、風速が相応して高いと識別された場合、この点でこのプロセス構造４００にも示されている運転管理は、ここでは、ストームブロック４４４によって示されている嵐運転モードに移動する。ストームブロック４４４によって示されるこの嵐運転モードは、風力タービンがさらに低減された電力および／または低減された回転速度で動作される嵐の状況を指すのではなく、むしろ、風力タービンがさらに運転され、惰行モードに移行する嵐の状況を指すものではない。したがって、惰行モードにおける風力タービンの管理は、ストームブロック４４４によって表される、考慮中の嵐状況の特徴である。
【００５０】
さらに、プロセス構造４００によれば、次に、突風制限ブロック４４６において、突風Ｂが突風制限ＢＧよりも大きいかどうかについてのチェックが行われる。これは、突風の風速は突風の所定の限界風速と比較される、および／または、一般的な平均風速に対する突風の風速増加の比較が所定の限界値を用いて行われる、および／または、その風の方向が一般的な主な風向きと異なる風の突風の風の方向が観察され、この風の方向の偏差が予め定められた風の方向の偏差限界と比較されることを意味することができる。
【００５１】
この比較の結果が、突風Ｂが突風限界以下であれば、嵐モードは基本的に変わらずに継続する。したがって、この状況では、構造は、突風制限ブロック４４６からストームブロック４４４に戻る。
しかし、突風制限ブロック４４６において突風が突風制限より大きいことが確認された場合、負荷軽減モードがさらに起動される。これは、アイドルブロック４４８によって表される。アイドルブロック４４８によるこの負荷軽減モードでは、例えば、図２に概略的に示すように、制御動作が起動される。言い換えれば、このプロセス構造４００によれば、図２による前記制御動作は、これが突風制限ブロック４４６の突風によってトリガされたときにのみ起動される。したがって、ストームブロック４４４による嵐モードでは、図２に係る制御運転は、そこに示されている方法では、まだアクティブではないことが好ましい。
【００５２】
なお、嵐チェックブロック４４２によるチェックおよび突風制限ブロック４４６によるチェックも継続して実行されることに留意すべきである。したがって、突風制限ブロック４４６の突風によるチェックも、作動されている負荷軽減モードでチェックされ続け、したがって、負荷軽減モードは再び解除されてもよい。次に、突風Ｂが突風制限ＢＧ以下であった状況が比較的長い時間、例えば、少なくとも１０分の時間または少なくとも１時間の時間発生していない場合にのみ、負荷軽減モードが無効にされるように、突風制限ブロック４４６によるチェックが行われることが好ましい。
【００５３】
同様に、嵐チェックブロック４４２の意味でのチェックは、嵐モードで実行することができ、プロセスは任意選択で通常モードに戻ることができる。
記載された発明は、特に、高い風速における風力タービンの制御に関する。風力タービンは、高い風速で通常の生産モードを停止し、惰行モードに切り替わることが知られている。このプロセスでは、単純化のためブレードとも呼ばれることがあるロータブレードは、風から離れていわゆるフェザー位置に回転し、その結果、前記ロータブレードは、そこからエネルギーを全く引き出さないか、または入射空気からほんのわずかしかエネルギーを引き出さない。フェザー位置にあるタービンは、回転しないか、わずかしか回転しない。これを惰行または惰行モードと呼ばれる。
【００５４】
風中の高レベルの乱流のために、風または個々の突風が正面からタービンに理想的な方法で作用しないという状況が起こり得ることが分かった。これらの突風のおかげで、タービンはもはやフェザー位置になくなり、エネルギーが風から引き出される。この引き出されたエネルギーは、タービンへの負荷を増加させる。
提案された解決策は、ここでは、特に、ＰＩ制御装置によって負荷信号がゼロに調整されることによってブレード負荷信号を制御することにより、それに応じてフェザー位置が適合されるように準備する。これは、すべてのブレードに対して別々にまたは個別に実行される。それぞれ最適なブレード角度は、９０°での通常のフェザー位置とは著しく異なる可能性があり、制御操作によって決定される。
【００５５】
したがって、制御動作は、時々、暴風時にブレード接続負荷を大幅に減らすことにつながる。暴風時に発生する負荷は、寸法に決定的な影響を及ぼす可能性があるため、負荷を減らすと、コンポーネントの負荷が減るため、コストが削減される可能性がある。したがって、タービンの設計は、この結果として影響を受ける可能性がある、あるいは、これは設計段階で考慮に入れることができる。
【００５６】
提案されたアルゴリズムを開発し実施することに加えて、１つの改良点はまた、任意のブレード角度停止を適応させることを提案する。ピッチ角とも呼ばれることがあるブレード角は、通常、９０°に近い値に制限される。しかしながら、現在提案されている解決策では、ピッチ角＞９０°が有利であると判明することができ、その結果、ブレード調整装置および角度監視装置を含むことができるブレード調整システムに対する構造的変更が提案され得る。
【００５７】
また、暴風時に発生する突風が必ずしも主風向きに沿うとは限らないため、これらの突風は、強い斜めの入射流で羽根に向かって流れる。これにより、フェザー位置での入射流よりも大きな揚力がブレードに発生し、その結果、ブレードの負荷が大きくなる。
この目的のために、突風識別装置が実施されることが好ましく、これは必要に応じて負荷軽減モードを起動する。そして、これは、特に、ＰＩコントローラを用いてブレード角度を最小のブレード衝撃負荷に調整することが好ましい。これは、フェザー位置からずれているブレード角度の補正につながる。
【００５８】
その結果、大幅に低減されたブレード接続負荷が生み出される。これらはまた、極端な負荷を減らすことができる。この種の負荷状況は、タービン内の寸法にとっても決定的であり、従って、この種の減少は、構造に直接影響を及すことができる、あるいはここでの工事中に考慮に入れることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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