СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
WIND-DRIVEN POWER PLANT CONTROL METHOD

Настоящее изобретение относится к способу управления ветроэнергетической установкой. Оно также относится к способу конструирования ветроэнергетической установки. Оно также относится к ветроэнергетической установке.
Ветроэнергетические установки хорошо известны, и настоящее изобретение относится, в частности, к обычным, так называемым горизонтально-осевым ветроэнергетическим установкам, в которых аэродинамический ротор по меньшей мере с одной, обычно с тремя роторными лопастями вращается вокруг по существу горизонтальной оси ротора. В процессе работы ветроэнергетической установки, упомянутая ветроэнергетическая установка ориентирована по отношению к ветру своим ротором или, соответственно, осью ротора. Поэтому упомянутая ветроэнергетическая установка ориентируется своим азимутальным положением по ветру. Ветроэнергетическая установка, в которой угол лопасти каждой из роторных лопастей может регулироваться, принимается в качестве основы. В этом случае роторные лопасти регулируются относительно их продольной оси, чтобы согласовывать их положение с соответствующими рабочими условиями.
Когда ветроэнергетическая установка не работает, по меньшей мере никакой ток не генерируется, роторные лопасти обычно поворачиваются во флюгерное положение, чтобы обеспечить, особенно в случае шторма, минимально возможную поверхность атаки для такого шторма. В этом случае, флюгерным положением является то, в котором роторные лопасти повернуты, по существу, на 90° по отношению к рабочему положению в режиме с частичной нагрузкой. Проще говоря, они тогда приблизительно параллельны относительно ветра по меньшей мере в каждом случае в одной секции каждой роторной лопасти.
Следует отметить, что направление, с которого может возникнуть такой шторм, в общем случае неизвестно, и поэтому, несмотря на флюгерное положение, может возникнуть высокая нагрузка при неблагоприятном направлении ветра при таком шторме. Чтобы учитывать это, может быть предусмотрено, чтобы ветроэнергетическая установка относительно своего азимутального направления также ориентировалась по ветру, когда она не работает, то есть, когда она активно не генерирует ток.
Однако такая регулировка азимутального положения может все еще приводить к высокой нагрузке на ветроэнергетическую установку в зависимости от того, как возникает шторм. Это может быть особенно проблематичным, когда различные направления ветра возникают при шторме, так что возникают так называемые косые набегающие потоки.
Немецкое Ведомство по патентам и товарным знакам при поиске по приоритетной заявке к настоящей заявке выявило следующие документы предшествующего уровня техники: DE 10 2014 223 640 A1, US 2014/0010651 A1 и статью ʺHurricane-Induced Loads on Offshore Wind Turbines with Considerations for Nacelle Yaw and Blade Pitch Controlʺ, E. Kim et al., Wind Engineering, Volume 38, 2014, pages 413-423.
Задача настоящего изобретения, таким образом, заключается в решении по меньшей мере одной из описанных выше проблем. Конкретной задачей является предложить решение, в котором ветроэнергетическая установка в максимально возможной степени защищена от механической нагрузки в ситуации шторма. Должно быть предложено по меньшей мере одно решение, альтернативное ранее известным решениям.
В соответствии с изобретением предложен способ, как заявлено в пункте 1 формулы изобретения, в частности, способ для управления ветроэнергетической установкой. Здесь управление следует понимать не в строгом смысле теории управления, а в смысле системы управления установки, которая может управлять различными частями установки, включая информационную обратную связь.
Таким образом, способ исходит из ветроэнергетической установки, которая имеет аэродинамический ротор с роторными лопастями, у которых может регулироваться угол лопасти. Такая регулировка угла лопасти роторной лопасти также называется изменением угла атаки.
Аэродинамический ротор может также регулироваться в азимутальном направлении, это обычно может выполняться посредством того, что вся гондола, на которой установлен аэродинамический ротор, регулируется в азимутальном направлении, то есть в отношении ее ориентации по ветру.
Способ предлагает сначала обнаруживать ситуацию шторма. Здесь, ситуация шторма существует, если преобладающий ветер настолько силен, что в целях самозащиты ветроэнергетическая установка переводится в пассивный режим (вращение по инерции). Поэтому ветроэнергетическая установка больше не генерирует тока, и ротор может свободно вращаться. Однако в этом случае роторные лопасти установлены так, что аэродинамический ротор, который для простоты упоминается здесь просто как ротор, не приводится целенаправленным образом в действие ветром. Однако, в частности, ротор также не фиксируется.
Кроме того, обнаруживается по меньшей мере одна нагрузка, которая воздействует на ротор вследствие порыва ветра. В частности, это может быть сделано путем измерения нагрузки на каждой роторной лопасти, например, в области комля (основания) каждой роторной лопасти. Для простоты, каждая нагрузка, обнаруживаемая здесь, может рассматриваться как нагрузка, которая действует на ротор вследствие порыва ветра и может дополнительно обрабатываться при условии, что описываемый способ управления ветроэнергетической установкой активирован. Однако уровень нагрузки в качестве предельного значения может также приниматься в качестве основы, чтобы идентифицировать нагрузку, которая действует на ротор от порыва ветра, или чтобы рассматривать упомянутую нагрузку как таковую и соответственно дополнительно обрабатывать упомянутую нагрузку.
Изобретение предлагает регулирование, то есть изменение продольного положения по меньшей мере одной из роторных лопастей в отношении ее угла лопасти, причем это выполняется так, что по меньшей мере одна роторная лопасть подвергается минимально возможному нагружению посредством обнаруженной нагрузки.
В частности, при этом возможно, что обнаруживается нагрузка на роторной лопасти по величине и направлению, и роторная лопасть поворачивается от этого порыва ветра полностью или по меньшей мере частично. Это также может быть пояснено таким образом, что роторная лопасть поворачивается в индивидуальное флюгерное положение по отношению к этому порыву ветра, нагрузка от которого была обнаружена. В частности, это может также означать, что роторная лопасть поворачивается за пределы флюгерного положения по отношению к основному направлению ветра, которое может называться здесь основным флюгерным положением для лучшей различимости, в зависимости от направления, с которого исходит упомянутый порыв ветра. Если упомянутое основное флюгерное положение имеет, например, значение 90° по отношению к основному направлению ветра, изобретение предлагает поворачивание лопасти за пределы упомянутых 90° до большего значения или поворачивание упомянутой лопасти до меньшего значения, чем упомянутые 90°, в зависимости от направления нагружения для данного примера.
Поэтому также было идентифицировано, в частности, что порыв ветра не обязательно должен исходить с основного направления ветра, а может формировать косой набегающий поток на ротор. В этом случае основное флюгерное положение роторных лопастей по отношению к основному направлению ветра, когда ветроэнергетическая установка ориентирована в отношении своего азимутального положения в основном направлении ветра, является не индивидуальным флюгерным положением по отношению к порыву ветра с другого направления. Это учитывается предлагаемой регулировкой роторной лопасти. Ориентация ротора в его азимутальном положении, то есть его азимутальная ориентация, может сохраняться в этом случае.
По меньшей мере одна роторная лопасть предпочтительно регулируется в зависимости от обнаруженной нагрузки лопасти, причем обнаруженная нагрузка лопасти вводится в узел регулирования нагрузки, и узел регулирования нагрузки регулирует угол рассматриваемой роторной лопасти, в зависимости от обнаруженной нагрузки, так что нагрузка минимизируется. Поэтому здесь предлагается узел управления или контур управления, который выполняет регулировку лопасти в зависимости от нагрузки. Сравнение заданного значения/фактического значения нагрузки может выполняться для этой цели. В этом случае, заданное значение нагрузки предпочтительно равно значению 0. В этом случае обнаруженная нагрузка может приниматься во внимание с математическим знаком. С этой целью, можно определить, из двух возможных направлений нагрузки, одно как положительную нагрузку, а другое - как отрицательную нагрузку, причем положительная нагрузка может привести к регулировке роторной лопасти в одном направлении, а отрицательная нагрузка может привести к регулировке роторной лопасти в противоположном направлении.
Обнаружение нагрузки, используемое здесь, может соответствовать обнаружению нагрузки, которая вызвана порывом ветра.
С этой целью, изобретение предпочтительно предлагает использовать ПИ-регулятор. Упомянутый ПИ-регулятор может быть обеспечен таким образом, что описанное сравнение заданного значения/фактического значения между нагрузкой заданного значения и нагрузкой фактического значения подается на  ПИ-элемент (пропорционально-интегральный, PI element), который обеспечивает в качестве выходного значения заданный угол. Этот заданный угол может идентифицировать, например, отклонение от флюгерного положения, так что значение 0 поэтому соответствует флюгерному положению, в частности, основному флюгерному положению. Когда заданное значение нагрузки равно 0, обнаруженная нагрузка может быть подана непосредственно на  ПИ-элемент.
Согласно одному варианту осуществления, ПД-регулятор предусмотрен для или в качестве узла регулирования нагрузки. С помощью такого ПД-регулятора может быть обеспечен быстрый отклик на быстро возникающую и быстро изменяющуюся нагрузку, и было выявлено, в частности, что можно ожидать быстро возникающих и быстро изменяющихся нагрузок. Было также выявлено, что ветер постоянно изменяется в штормовой ситуации, принимаемой за основу, и поэтому конструирование регулятора по стационарной точности не является строго необходимым.
Предпочтительно предлагается, что при ориентировании ротора в ориентацию с низкой нагрузкой относительно ветра, роторные лопасти перемещаются во флюгерное положение и, начиная с этого положения, каждая роторная лопасть индивидуально регулируется в отношении ее угла лопасти на угловое отклонение относительно флюгерного положения. Здесь, в частности, предлагается, что это флюгерное положение, которое относится к основному направлению ветра, является начальным положением для снижающей нагрузку регулировки угла. Предложенная регулировка может также относиться к этому флюгерному положению, то есть к основному флюгерному положению, и соответствующие действующие переменные могут быть предварительно заданы или определены по отношению к этому флюгерному положению.
Согласно одному варианту осуществления предлагается, что по меньшей мере один датчик нагрузки предусмотрен для каждой роторной лопасти. Упомянутый датчик нагрузки может быть, например, тензодатчиком, в качестве лишь одного примера. Упомянутый по меньшей мере один датчик нагрузки может быть обеспечен на роторной лопасти, в частности, в области комля лопасти роторной лопасти, или в области крепления роторной лопасти к ступице ротора. В качестве примера, возможно, что роторная лопасть закреплена на ступице ротора посредством адаптера (переходника) лопасти. В этом случае, датчик нагрузки может также размещаться на адаптере лопасти или на переходе от роторной лопасти к адаптеру лопасти или в области перехода от роторной лопасти или от адаптера лопасти к ступице. В любом случае, упомянутый датчик нагрузки обеспечен для индивидуального обнаружения нагрузки рассматриваемой роторной лопасти.
Упомянутый датчик нагрузки генерирует сигнал нагрузки, который вводится в устройство управления роторной лопасти. Поэтому, устройство управления предусмотрено для каждой роторной лопасти или, в случае центрального устройства управления, индивидуальная относящаяся к управлению оценка предусмотрена по меньшей мере для каждой отдельной роторной лопасти. Упомянутый возврат (обратная связь) сигнала нагрузки в устройство управления должен использоваться, чтобы выполнять регулировку роторной лопасти в зависимости от упомянутого сигнала нагрузки, чтобы минимизировать или по меньшей мере уменьшить нагрузку, которая обнаруживается посредством упомянутого сигнала нагрузки. Поэтому, изобретение предлагает индивидуальное управление каждой роторной лопастью на основе сигнала нагрузки каждой индивидуальной роторной лопасти. Поэтому, режим снижения нагрузки может быть индивидуально реализован для каждой роторной лопасти, в частности, эффективным способом.
Устройство передачи сигнала предпочтительно предусмотрено для этой цели, причем устройство передачи сигнала передает сигнал нагрузки упомянутого вида с датчика нагрузки на устройство управления. Такое устройство передачи сигнала предпочтительно предусмотрено для каждой роторной лопасти, и упомянутые устройства передачи сигнала могут быть проводными и/или обеспечивать передачу данных беспроводным способом.
Собственное устройство управления предпочтительно предусмотрено  для каждой роторной лопасти, и упомянутое устройство управления предпочтительно расположено рядом с устройством регулировки лопасти для регулировки роторной лопасти. Поэтому нагрузка может быть обнаружена и подана на устройство управления рассматриваемой роторной лопасти для каждой индивидуальной роторной лопасти, использующей датчик нагрузки. Устройство управления может задействовать устройство регулировки лопасти в зависимости от упомянутой нагрузки, особенно так, что нагрузка, которая обнаружена датчиком нагрузки, минимизируется, по меньшей мере снижается.
Согласно одному варианту осуществления предлагается, что регулировка по меньшей мере одной роторной лопасти в отношении его угла лопасти выполняется только тогда, когда упомянутый обуславливающий порыв ветра для обнаруженной нагрузки, действующей на ротор из-за порыва ветра, удовлетворяет по меньшей мере одному из следующих критериев, в частности, что упомянутый обуславливающий порыв ветра имеет скорость ветра, которая превышает предопределенную предельную скорость порыва ветра, что обуславливающий порыв ветра имеет скорость ветра, которая превышает среднюю скорость ветра преобладающего ветра по меньшей мере на предопределенную разность скорости ветра, и/или что упомянутый обуславливающий порыв ветра имеет направление порыва ветра, которое отклоняется от основного направления ветра по величине по меньшей мере на предопределенную разность направления ветра.
Таким образом, регулировка по меньшей мере одной роторной лопасти выполняется не в каждом случае, а только когда имеют место, в частности, сильные порывы ветра и/или когда имеют место порывы ветра с направлением, которое сильно отличается от основного направления ветра. Сила порыва ветра может также определяться посредством обнаружения нагрузки для нагрузки, в частности, на роторной лопасти.
С этой целью, в соответствии с одним аспектом, предопределенная предельная скорость порыва ветра может приниматься в качестве основы. Если упомянутая предельная скорость порыва ветра превышена, то инициируется регулировка. В дополнение или в качестве альтернативы, предопределенная разность скорости ветра в качестве критерия также может браться за основу. В этом случае, поверяется не абсолютная скорость порыва ветра, а насколько сильно или в какой степени упомянутый порыв ветра превышает среднюю скорость ветра для преобладающего ветра. Здесь 10-минутное среднее обнаруженной скорости ветра может приниматься, например, за основу. Таким путем, степень флуктуаций скорости ветра учитывается в принципе. Также возможно проверять оба критерия и принимать за основу одновременно, например, путем регулировки, выполняемой только тогда, когда превышены предельная скорость порыва ветра и разность скорости ветра. Однако в этом случае, может быть целесообразным определять предельную скорость порыва ветра и/или разность скорости ветра с пониженным значением в каждом случае.
В другом аспекте предлагается проверять степень отклонения в направлении порыва ветра от основного направления ветра. С этой целью, предопределенная разность направления ветра принимается за основу. Это использует знание о том, что, в частности, большое отклонение от основного направления ветра в качестве так называемого косого набегающего потока может, в частности, быть опасным, по меньшей мере, в частности, обременительным. Этот аспект может также комбинироваться с двумя аспектами, упомянутыми выше. Одной возможностью является то, что все критерии удовлетворяются одновременно, причем соответствующие предопределенные предельные значения предпочтительно адаптируются соответствующим образом, то есть снижаются. Также возможно суммировать скорость порыва ветра и/или скорость порыва ветра, которая превышает среднюю скорость ветра, и/или направление порыва ветра, в каждом случае с весовым коэффициентом, и сравнивать их с общим критерием в качестве предела. Упомянутый общий критерий может тогда соответственно быть суммой предопределенной предельной скорости порыва ветра, предопределенной разности скорости ветра и/или предопределенной разности направления ветра, в каждом случае умноженной на весовой коэффициент. Весовые коэффициенты могут также учитывать различные физические единицы, в частности, скорость ветра, с одной стороны, и направление ветра, с другой стороны.
Обнаружение порыва ветра и его скорости ветра, а также направления порыва ветра, в частности, для проверки, следует ли выполнять регулировку по меньшей мере одной роторной лопасти, может также выполняться на основе измерения нагрузки на по меньшей мере одной роторной лопасти. Узлу управления работой, в принципе, известна ориентация ротора в азимутальном положении, а также соответственно установленный угол лопасти. В дополнение, соответствующее положение ротора в его собственном направлении вращения также известно. Иными словами, поэтому известно положение, в котором находится каждая из роторных лопастей, в частности, по отношению к вращению ротора вокруг оси ротора. С использованием этой информации, скорость ветра и направление ветра в области роторной лопасти может также оцениваться из нагрузки на роторной лопасти. Поэтому, упомянутые критерии для порыва ветра могут также быть оценены на этой основе.
Более того, упомянутые критерии, начиная с которых предусматривается выполнение регулировки роторной лопасти, являются минимальными критериями, которые предусмотрены, чтобы немедленно приводить к регулировке роторной лопасти, когда они превышены. Иными словами, не требуется первоначально измерять соответствующий порыв ветра, а нужно только установить, превышен ли порог. Если этот порог превышен, инициируется регулировка роторной лопасти, и после этого порыв ветра может возрастать еще больше в отношении его скорости ветра.
В частности, активация режима ослабления нагрузки, описанного выше или ниже, учитывается также для отказа питания, при котором ветроэнергетическая установка внезапно не может больше подавать электрическую мощность в сеть электроснабжения и поэтому работает в пассивном режиме (вращения по инерции). В частности, для этого случая изобретение предлагает не активировать режим ослабления нагрузки в каждом случае, поскольку, в частности, в этом случае также возможно, что ситуация шторма вообще отсутствует и поэтому не следует ожидать экстремальных нагрузок.
Ориентация низкой нагрузки ротора в его азимутальном положении предпочтительно является ориентацией по основному направлению ветра. Соответственно, изобретение предлагает, что ветроэнергетическая установка в отношении ее азимутального положения ориентируется по основному направлению ветра, когда это возможно. Здесь, основное направление ветра может приниматься во внимание, например, с сохраняющимся средним значением, так что, в случае порыва ветра с косым набегающим потоком, который длится примерно 10 или 20 секунд, обновление азимутального положения не выполняется или выполняется по меньшей мере с задержкой, то есть не должно выполняться при максимально возможной скорости регулирования для азимутального регулирования и/или не должно выполняться немедленно.
Порыв ветра предпочтительно обнаруживается в отношении скорости ветра и направления ветра. Для описанной зависимой от нагрузки регулировки по меньшей мере одной роторной лопасти в пассивном режиме может быть предпочтительным, чтобы активироваться, только когда возник по меньшей мере сильный порыв ветра. В этом отношении, сильный порыв ветра является таким, который удовлетворяет по меньшей мере одному из критериев, поясненных выше. Например, такая зависимая от нагрузки регулировка лопасти в пассивном режиме может первоначально быть деактивирована до тех пор, пока не возникнет сильный порыв ветра. В этом случае, можно принять, что зависимая от нагрузки регулировка еще не выполняется в пассивном режиме или может выполняться только с задержкой, в ответ на сильный порыв ветра упомянутого типа.  При этом учитывается, что создающие нагрузку порывы ветра такого типа существенно сокращают срок службы ветроэнергетической установки, но обычно не могут непосредственно повредить ветроэнергетической установке, если они возникают однократно. Поэтому, может быть достаточным, после сильного порыва ветра, который подвергает ветроэнергетическую установку нагрузке, только последующие порывы ветра принимать во внимание посредством предложенной регулировки роторных лопастей.
Также возможно, учитывать порыв ветра в отношении скорости ветра и направления ветра в общем по отношению к ветроэнергетической установке, то есть, не учитывается, в какой степени упомянутый порыв ветра распределяется по поверхности вращения, которая проходится ротором в процессе работы. Поэтому, сначала осуществляется проверка для ветроэнергетической установки в общем, возникает ли порыв ветра, который подвергает ветроэнергетическую установку в целом сильной нагрузке, и соответственно также следует ожидать дальнейших порывов ветра этого типа. Затем может быть активирован режим ослабления нагрузки. Здесь, режим ослабления нагрузки является режимом, в котором по меньшей мере одна из роторных лопастей, то есть, роторные лопасти индивидуально в отношении их угла лопасти, регулируются, так что нагрузка, которая вызвана порывом ветра, снижается, в частности, минимизируется. Поэтому, изобретение предлагает, что этот режим ослабления нагрузки активируется или деактивируется для ветроэнергетической установки в целом, но что в случае активированного режима ослабления нагрузки, снижающее нагрузку регулирование выполняется индивидуально для каждой роторной лопасти.
Избыточной операции приводов регулирования для регулировки роторных лопастей в отношении их угла атаки можно избежать путем предварительной проверки, возникает ли порыв ветра, который подвергает ветроэнергетическую установку сильной нагрузке, или может ли он вообще ожидаться.
Каждая роторная лопасть может предпочтительно предполагать как больший, так и меньший углы лопастей, чем флюгерное положение, в частности, чем основное флюгерное положение, в зависимости от обнаруженного порыва ветра. До настоящего времени обычно ограничивали регулировку роторной лопасти из ее рабочего положения в режим частичной нагрузки, когда угол лопасти примерно составляет 0° или единицы градусов до флюгерного положения, которое примерно равно 90°. Ограничение этого типа обычно предопределялось механическим коммутатором, который предотвращал избыточный поворот роторной лопасти. Здесь, изобретение теперь предлагает исключить коммутатор такого рода и разрешить поворот существенным образом за пределы этого 90° положения, в частности, разрешая поворот за пределы 100° положения. Упомянутая проверка безопасности, которую предполагается исключить таким образом, может быть заменена соответствующим программным обеспечением, предпочтительно избыточной программной проверкой. Проверка такого рода предпочтительно использует определение того, активирован ли режим ослабления нагрузки или нет. Соответственно, когда режим ослабления нагрузки активирован, избыточный поворот каждой роторной лопасти существенно за пределы основного флюгерного положения разрешается, в то время как регулировка роторной лопасти за пределы основного флюгерного положения этого рода может привести к сообщению о сбое или по меньшей мере к сообщению предупреждения, когда режим ослабления нагрузки деактивирован.
Изобретение также предлагает способ для конструирования ветроэнергетической установки. Ветроэнергетическая установка, содержащая аэродинамический ротор с роторными лопастями, у которых угол лопасти может регулироваться, причем в ветроэнергетической установке аэродинамический ротор или гондола, поддерживающая упомянутый ротор, может регулироваться по азимутальному направлению, также принята в качестве основы для этого способа. Для такой конструкции, установлено ожидаемая сниженная нагрузка установки для ситуации шторма раз в каждые 50 лет и/или ситуации шторма раз в год.
Упомянутая ожидаемая сниженная нагрузка установки основана на особом рабочем состоянии, в которое переводится ветроэнергетическая установка в пассивном режиме, в частности, в целях самозащиты, ротор ориентируется по его азимутальному положению в ориентацию низкой нагрузки по отношению к ветру, в этой ориентации ветроэнергетическая установка подвергается минимально возможной нагрузке от ветра с основного направления, и каждая роторная лопасть регулируется в отношении угла лопасти, так что каждая роторная лопасть в каждом случае подвергается минимально возможной нагрузке от порыва ветра, действующего в области ротора.
Соответственно, ветроэнергетическая установка конструируется для ожидаемой сниженной нагрузки установки, установленной таким образом. В частности, предполагается, что ветроэнергетическая установка работает, как описано выше, в соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления, то есть, что работа при низкой нагрузке выполняется, в частности, за счет режима ослабления нагрузки. В результате, не только становится возможным для ветроэнергетической установки в целом подвергаться малой нагрузке, но и было выявлено, что это может также учитываться при конструировании ветроэнергетической установки. Следует отметить, что можно предположить, что в случае ветровых условий, в которых возникает упомянутая ситуация шторма раз в каждые 50 лет, в частности, когда ожидаются так называемые порывы ветра раз в каждые 50 лет, режим ослабления нагрузки был уже активирован. Ситуация шторма такого рода сама развивается за некоторое время, и до тех пор упомянутые критерии для активации режима ослабления нагрузки остаются удовлетворенным, если упомянутый вариант осуществления, в котором режим ослабления нагрузки активируется только в заданных определенных ситуациях, вообще выбран. То же самое применимо к ситуации ежегодного шторма.
Один вариант осуществления предлагает, что установление ожидаемой сниженной нагрузки установки выполняется посредством моделирования нагрузки. Моделирование нагрузки такого рода может исследовать общую нагрузку на ветроэнергетическую установку и также учитывать различные ветровые условия. Упомянутое моделирование нагрузки может также учитывать распределение различных ветровых условий, то есть, включая различные штормовые ситуации, как следует ожидать в предполагаемом месте. Моделирования нагрузок этого рода известны в принципе и выполняются с регулярными интервалами. Здесь изобретение предлагает, в частности, выполнять описанное управление работой с использованием описанного режима ослабления нагрузки в качестве основы для упомянутого моделирования нагрузки. Поэтому моделирование нагрузки учитывает тогда роторные лопасти, подвергаемые воздействию соответственно более слабой нагрузки, в частности, неблагоприятных порывов ветра с косым набегающим потоком. Соответственно, более низкая нагрузка может ожидаться в этом контексте. Моделирование нагрузки может включать в себя это и, в результате, в частности, может выполняться проверка в отношении того, будет ли более экономичная по затратам конструкция достаточной.
В дополнение или вместо ситуации шторма раз в каждые 50 лет, также может учитываться ситуация ежегодных штормов. Подобная ситуация (ежегодная) шторма раз в год, которая таким образом ожидается один раз за год, представляет собой нагрузку ветроэнергетической установки, которая может иметь критическое влияние на конструкцию ветроэнергетической установки. Поэтому ожидаемая сниженная нагрузка установки, которая устанавливается за счет использования режима ослабления нагрузки, также учитывается для упомянутой ситуации шторма раз в год. В частности, для учета полной нагрузки, в частности, суммарных нагрузок за весь срок службы ветроэнергетической установки, которая взята за основу, изобретение предлагает учитывать как ситуацию шторма раз в каждые 50 лет, так и ситуацию шторма раз в год.
Изобретение также предлагает ветроэнергетическую установку, которая имеет аэродинамический ротор с роторными лопастями, у которых угол лопасти может регулироваться, причем аэродинамический ротор может регулироваться по его азимутальному направлению. Ветроэнергетическая установка устанавливается для выполнения способа работы в соответствии с по меньшей мере одним вариантом осуществления, описанным выше для этой цели. В частности, соответствующий компьютер для управления процессом предусмотрен в ветроэнергетической установке для этой цели. Упомянутые этапы могут быть запрограммированы на упомянутом компьютере для управления процессом.
В дополнение, ветроэнергетическая установка имеет по меньшей мере один датчик нагрузки, в частности, по меньшей мере два датчика нагрузки, на каждой роторной лопасти. Такие датчики нагрузки могут быть закреплены на комле лопасти или на адаптере лопасти, который соединяет роторную лопасть со ступицей ротора. Датчики нагрузки предпочтительно распределены вокруг продольной оси роторной лопасти, в частности, два датчика, которые расположены со сдвигом на 90° относительно друг друга, предусмотрены для каждой роторной лопасти. Таким способом, нагрузка на роторной лопасти может также определяться относительно направления.
Однако, в принципе, также может быть достаточен один датчик на лопасть. Упомянутый датчик предпочтительно расположен так, что он обнаруживает нагрузку поперечно хорде профиля роторной лопасти в средней области.
Описанный режим ослабления нагрузки предпочтительно действует так, что регулировка лопасти выполняется таким образом, что нагрузка соответствующей роторной лопасти минимизируется. С этой целью, предпочтительно только измеренное значение одного датчика принимается за основу. Также можно использовать для этой цели множество датчиков, причем в соответствии с одним предложением, измеренные значения обоих датчиков затем объединяются, чтобы сформировать измеренное значение, которое может вводиться в узел управления. Однако следует отметить, что нагрузка, разумеется, действует на роторную лопасть в любом случае, когда дует ветер, в частности, когда дует штормовой ветер. Поэтому, любая нагрузка на роторной лопасти не может быть скорректирована до 0. Однако, в частности, нагрузки, которые действуют поперечно описанной хорде профиля роторной лопасти, могут изменить математический знак в зависимости от направления набегающего ветра. В описательном смысле, роторная лопасть может изгибаться в двух направлениях, и одно из этих направлений может определяться или учитываться как положительная нагрузка, а другое может определяться или учитываться как отрицательная нагрузка.
Режим ослабления нагрузки затем предпочтительно действует так, что соответствующая роторная лопасть регулируется таким образом, что роторная лопасти идеально совсем не изгибается. Часто достаточна регулировка соответствующей роторной лопасти в случае, когда такое явление изгибания по меньшей мере существенно снижается по сравнению со случаем отсутствия регулировки. Полная и непрерывная коррекция таких нагрузок, то есть, иллюстративно описывая явления изгибания, значение 0 будет сохраняться в идеальном случае, который трудно реализовать из-за динамического изменения ветровых условий. Тем не менее, спецификация управления того рода может быть сформулирована, даже если идеальный случай при этом не достигается.
Изобретение будет пояснено более детально ниже в качестве примера с использованием вариантов осуществления со ссылками на приложенные чертежи.
Фиг. 1 показывает перспективное изображение ветроэнергетической установки.
Фиг. 2 схематично показывает диаграмму управления для реализации режима ослабления нагрузки.
Фиг. 3 схематично показывает фрагмент  области соединения лопасти в качестве принципиальной схемы.
Фиг. 4 показывает упрощенную блок-схему последовательности операций, в частности, для активации режима ослабления нагрузки.
Фиг. 1 показывает ветроэнергетическую установку 100, имеющую мачту 102 и гондолу 104. Ротор 106, содержащий три роторные лопасти 108 и обтекатель 110, расположен на гондоле 104. Ротор 106 в процессе работы приводится во вращательное движение ветром и при этом приводит в действие генератор в гондоле 104.
Фиг. 2 иллюстрирует структуру 200 управления, которая управляет углом лопасти схематично показанной роторной лопасти 202 для реализации режима ослабления нагрузки. Продольная ось 204 роторной лопасти схематично показана штрих-пунктирной линией в роторной лопасти 202, а хорда 206 показана также схематично пунктирной линией в средней области 202. Датчик 208 нагрузки также указан в области 210 комля роторной лопасти 202.
Датчик 208 нагрузки выполнен, например, так, что он воспринимает нагрузку, которая соответствует изгибающему моменту 212 роторной лопасти 202 по существу перпендикулярно хорде 206. Поэтому здесь упомянутый изгибающий момент является изгибающим моментом относительно оси, которая проходит по существу параллельно хорде 206. Иными словами, упомянутой изгибающий момент является изгибающим моментом или соответствующим направлением нагрузки, например, в направлении от стороны ввода к стороне выдачи или наоборот, а не направлением между передней кромкой 214 и задней кромкой 216. Сторона ввода и сторона выдачи не могут быть со всей ясностью проиллюстрированы в схематичной иллюстрации на фиг. 2, и поэтому ссылка дается на переднюю кромку 214 и заднюю кромку 216 в целях различения на чертеже.
M
S
S
Нагрузка в таком направлении, то есть, соответствующая изгибающему моменту 212 в соответствии с показанной двойной стрелкой, воспринимается датчиком 208 нагрузки. Датчик 208 нагрузки генерирует соответствующий сигнал нагрузки, это проиллюстрировано здесь как L и вычитается из заданного значения L нагрузки в точке 218 суммирования. Заданное значение L может предпочтительно иметь значение 0.
M
Эта разность заданного значения/фактического значения, которое может также быть обозначено как e, затем вводится в блок 220 ПИ-регулирования. ПИ-регулятор обеспечен, в частности, так, что регулировка лопасти, которая привела к минимизации нагрузки и, следовательно, сигнала нагрузки L, поддерживается, даже если управляющее отклонение e имеет значение 0. Однако другие регуляторы также могут использоваться, или может быть добавлена дополнительная составляющая, например, такая как Д-составляющая, например, чтобы опционально влиять на динамику управления.
Результат блока 220 ПИ-регулирования затем подается на иллюстративный блок 222 изменения угла атаки, который взаимодействует также со схематично показанным приводом 224 изменения угла атаки. Блок 222 изменения угла атаки и привод 224 изменения угла атаки могут формировать устройство регулировки лопасти или его часть. Привод 224 изменения угла атаки затем выполняет регулировку угла лопасти с помощью показанной шестерни 226, в частности, вращения по существу вокруг продольной оси 204 роторной лопасти, если соответствующий сигнал регулировки был действительно сгенерирован блоком 220 ПИ-регулирования.
Фиг. 3 иллюстрирует в схематичном сечении области 300 соединения роторной лопасти, возможное конструктивное выполнение схематичной диаграммы согласно фиг. 2. Область 300 соединения роторной лопасти в соответствии с иллюстрацией на фиг. 3 содержит область 310 комля роторной лопасти, которая может соответствовать роторной лопасти 202 на фиг. 2. Упомянутая область 310 комля установлена с возможностью поворота в подшипнике 330 механизма изменения угла атаки в секции 332 ступицы. Продольная ось 204 роторной лопасти также показана для целей иллюстрации.
Чтобы определить нагрузку, предусмотрен датчик 308 нагрузки в форме тензодатчика, иллюстративно показанный в области 310 комля. Показанные порядки величины элементов, в частности, датчика 308 нагрузки, с тем же применением для датчика 208 нагрузки согласно фиг. 2, не должны соответствовать действительным порядкам величины и выбраны по существу для наглядной иллюстрации.
M
Датчик 308 нагрузки может обнаруживать сигнал L нагрузки и передавать упомянутый сигнал нагрузки на устройство 334 управления. Здесь устройство 334 управления проиллюстрировано как микропроцессор и может содержать часть структуры согласно фиг. 2, в частности, точку 218 суммирования, показанную там, и блок ПИ-регулирования. Блок 222 изменения угла атаки также может быть частью устройства 334 управления.
Устройство 334 управления может затем активировать привод 324 изменения угла атаки, который здесь показан как мотор. Любые спецификации регулирования могут быть реализованы с помощью шестерни 326, которая также схематично показана. Регулировка угла роторной лопасти с помощью механизма иного, чем привод изменения угла атаки с шестерней, разумеется, также возможна. Фиг. 3 иллюстрирует, что устройство 334 управления может быть расположено в области роторной лопасти, в частности, в области 300 соединения лопасти. Поэтому, такое устройство 334 управления также обеспечено для каждой роторной лопасти и поэтому соответствующая операция управления, в частности, реализация режима ослабления нагрузки, может выполняться для каждой роторной лопасти индивидуально простым способом.
S
Схематичная структура 400 процесса согласно фиг. 4 исходит, в принципе, из нормального режима ветроэнергетической установки. Это показано блоком 440 нормального режима. Начиная от упомянутого нормального блока, выполняется проверка в блоке  442 проверки на шторм, является ли скорость V ветра большей, чем скорость V штормового ветра. Если это не имеет места, то нормальный режим продолжается, и процесс соответственно возвращается к блоку 440 нормального режима.
Однако если обнаружено, что скорость ветра соответственно высока, управление работой, которое также показано в этой структуре 400 процесса в этом отношении, переходит в штормовой режим работы, который здесь иллюстрируется блоком 444 штормового режима. Следует отметить, что этот штормовой режим работы, который иллюстрируется блоком 444 штормового режима, относится не к ситуации шторма, при которой ветроэнергетическая установка работает далее при сниженной мощности и/или сниженной скорости вращения, а является режимом, в котором ветроэнергетическая установка не работает далее и переходит в пассивный режим. Поэтому управление ветроэнергетической установкой в пассивном режиме является характеристикой ситуации шторма, рассматриваемой здесь, что представлено блоком 444 штормового режима.
G
Кроме того, в соответствии со структурой 400 процесса, затем выполняется проверка в блоке 446 предела порыва ветра относительно того, является ли порыв ветра B большим, чем предел B порыва ветра. Это может означать, что скорость ветра порыва ветра сравнивается с предопределенной предельной скоростью ветра порыва ветра, и/или сравнение увеличения скорости ветра в порыве ветра по отношению к преобладающей средней скорости ветра выполняется с предопределенным предельным значением, и/или что наблюдается направление ветра порыва ветра, причем это направление ветра отличается от преобладающего основного направления ветра, и это отклонение направления ветра сравнивается с предопределенным пределом отклонения направления ветра.
Если результат этого сравнения состоит в том, что порыв ветра B не больше, чем предел порыва ветра, штормовой режим продолжается фундаментально неизменным образом. Поэтому, структура возвращается от блока 446 предела порыва ветра к блоку 444 штормового режима в этой ситуации.
Однако если в блоке 446 предела порыва ветра установлено, что порыв ветра больше, чем предел порыва ветра, дополнительно активируется режим ослабления нагрузки. Это представлено блоком 448 холостого режима. В этом режиме ослабления нагрузки в соответствии блоком 448 холостого режима, затем активируется операция управления, как схематично показано на фиг. 2, например. Иными словами, в соответствии с этой структурой 400 процесса, упомянутая операция управления в соответствии с фиг. 2 активируется, только когда это запускается блоком 446 предела порыва ветра. Поэтому, в штормовом режиме в соответствии с блоком 444 штормового режима, операция управления в соответствии с фиг. 2 предпочтительно еще не активирована способом, показанным здесь.
G
Следует отметить, что проверка в соответствии с блоком 442 проверки на шторм и проверка в соответствии с блоком 446 предела порыва ветра продолжают выполняться. Поэтому, проверка в соответствии с блоком 446 предела порыва ветра также продолжает выполняться в активированном режиме 448 ослабления нагрузки, и соответственно режим ослабления нагрузки может вновь деактивироваться. Проверка в соответствии с блоком 446 предела порыва ветра предпочтительно тогда выполняется так, что режим ослабления нагрузки деактивируется, только если ситуация, в которой порыв ветра B был не больше, чем предел B порыва ветра, не возникла в течение относительно продолжительного времени, например, по меньшей мере 10 минут или по меньшей мере одного часа.
Аналогично, проверка в смысле блока 442 проверки на шторм может выполняться в штормовом режиме, и процесс может опционально возвращаться в нормальный режим.
Описанное изобретение относится, в частности, к управлению ветроэнергетической установкой при высоких скоростях. Известно, что ветроэнергетическая установка останавливает нормальный режим работы при высоких скоростях ветра и переходит в пассивный режим. В этом процессе, роторные лопасти, которые также могут называться лопастями для простоты, поворачиваются от ветра в так называемое флюгерное положение, так что упомянутые роторные лопасти не вырабатывают энергии или вырабатывают лишь очень незначительную энергию из набегающего воздушного потока. Турбина во флюгерном положении не вращается или вращается лишь незначительно. Это называется здесь вращением по инерции или пассивным режимом .
Было обнаружено, что, вследствие высокого уровня турбулентности в воздухе, может возникнуть ситуация, когда ветер или индивидуальные порывы ветра не действуют на турбину идеальным образом фронтально. Вследствие этих порывов ветра, турбина больше не находится во флюгерном положении, и энергия вырабатывается из ветра. Эта выработанная энергия приводит к увеличенным нагрузкам на турбину.
Предложенное решение обеспечивает здесь, чтобы флюгерное положение соответственно адаптировалось путем управления сигналом нагрузки лопасти, регулируемым до нуля, в частности, с помощью ПИ-регулятора . Это может выполняться отдельно или индивидуально для всех лопастей. Соответственно оптимальный угол лопасти, который может существенно отличаться от нормального флюгерного положения при 90°, определяется посредством операции управления.
Поэтому операция управления приводит к иногда сильно сниженным нагрузкам соединения лопасти в штормовых условиях. Нагрузки, которые возникают в штормовых условиях, могут иметь определяющее влияние на размеры, так что снижение нагрузки также может приводить к потенциальным сокращениям затрат вследствие уменьшения нагрузок на компоненты. Поэтому, в результате этого на конструкцию установки можно оказывать влияние или это может учитываться на стадии конструирования.
В дополнение к разработке и реализации предложенного алгоритма, одно уточнение также предлагает адаптацию любых ограничений угла лопасти. Углы лопастей, которые также могут называться углами атаки, обычно ограничены значениями, близкими к 90°. Однако, с предложенным здесь решением, углы атаки >90° могут оказаться предпочтительными, так что могут быть предложены структурные изменения в системе регулировки лопастей, которая может содержать устройство регулировки лопасти и узел контроля угла.
Было обнаружено, что порывы ветра, которые возникают в штормовых условиях, не обязательно следуют основному направлению ветра, и поэтому эти порывы ветра обтекают лопасти сильным косым набегающим потоком. Это генерирует больший подъем на лопасти, чем набегающий поток во флюгерном положении, и поэтому приводит в результате к более высоким нагрузкам лопастей.
С этой целью, предпочтительно реализован узел идентификации порыва ветра, который активирует режим ослабления нагрузки, по мере необходимости. Это, в частности, предпочтительно регулирует тогда угол лопасти с понижением до минимальных нагрузок воздействия на лопасти с помощью ПИ-регулятора . Это приводит к коррекции углов лопастей, отклоняющихся от флюгерного положения.
В результате, могут создаваться значительно сниженные нагрузки соединения лопастей. Они также могут снижать экстремальные нагрузки. Такие ситуации нагрузки могут также быть определяющими для размеров в турбинах, и поэтому такое снижение может иметь непосредственное влияние на конструкцию или учитывается при конструировании.