СПОСОБ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ В АВАРИЙНОМ РЕЖИМЕ, А ТАКЖЕ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
METHOD FOR CONTROLLING OPERATION OF WIND-DRIVEN POWER PLANT IN EMERGENCY MODE, AS WELL AS CONTROL SYSTEM AND WIND-DRIVEN POWER PLANT

Данное изобретение касается способа для ветроэнергетической установки в аварийном режиме, а также системы управления и ветроэнергетической установки.
Согласно уровню техники ветроэнергетические установки содержат несколько компонентов, которые могут устанавливаться в зависимости от параметров господствующего ветра, чтобы довести до максимума производство энергии ветроэнергетической установкой. Для установки или перестановки устанавливаемых компонентов требуется энергия.
В соответствии с этим в современных ветроэнергетических установках, например, роторные лопасти аэродинамического ротора могут поворачиваться вокруг их продольной оси, т.е. переставляться, так что роторные лопасти обтекаются ветром идеально. Создающаяся в результате подъемная сила роторных лопастей служит для того, чтобы создавать крутящий момент в якоре генератора, приводимом посредством аэродинамического ротора. Таким образом, кинетическая энергия ветра преобразуется генератором ветроэнергетической установки в электрическую энергию.
Кроме того, современные ветроэнергетические установки содержат систему слежения за направлением ветра, чтобы весь аэродинамический ротор ориентировать в господствующем направлении ветра. Такая система слежения за направлением ветра называется также установкой по азимуту. Тем самым, плоскость роторной лопасти, а именно, плоскость, в которой вращаются лопасти ветроэнергетической установки, всегда ориентирована, по существу, перпендикулярно обтеканию ветром, так что за счет этого обеспечивается симметричное обтекание ротора. Благодаря этому симметричному обтеканию снижаются изгибающие моменты и максимизируется выход энергии.
В соответствии с обтеканием ротора называется соотношение между направлением ветра и положением ротора. При симметричном обтекании плоскость ротора посредством системы слежения за направлением ветра ориентирована, по существу, перпендикулярно направлению ветра, или, иными словами, ось вращения ротора при симметричном обтекании ориентирована параллельно вектору направления актуального ветра. Поэтому для симметричного обтекания используется также термин параллельное обтекание (Parallelanströmung). Далее, при симметричном обтекании ветер поступает на плоскость ротора спереди, т.е. с той стороны ротора, которая не обращена к гондоле ветроэнергетической установки.
Однако, имеются ситуации, в которых нельзя скорректировать компоненты ветроэнергетической установки под изменяющиеся параметры ветра. Здесь следует назвать, например, аварийный режим ветроэнергетической установки, при котором ветроэнергетическая установка отделена от сети, и, тем самым, никакая энергия для регулировки механических компонентов ветроэнергетической установки не может отбираться из сети.
Для таких ситуаций механические компоненты ветроэнергетической установки, в частности, ось ротора, которой ротор опирается на неподвижную часть ветроэнергетической установки, рассчитываются с запасом по размерам, чтобы избежать повреждений из-за нагрузок, например, при поперечном потоке.
Таким образом, ветроэнергетические установки выполняются более стабильными, чем было бы нужно для нормального режима, при котором энергия отбирается из сети и может накапливаться. Такого рода дополнительная стабильность вызывает, однако, дополнительные производственные затраты и даже в нормальном режиме частично снижает эффективность и, тем самым, выход энергии ветроэнергетической установки.
Из уровня техники поэтому известно использование накопителя энергии в ветроэнергетической установке для того, чтобы роторные лопасти переводить в предварительно заданное положение даже в аварийном режиме. Благодаря этому может допускаться вращение вхолостую роторных лопастей, так что по меньшей мере упомянутая скорость вращения ротора в аварийном режиме, если не предусмотрено тормозное устройство для ротора, может надежно удерживаться ниже заранее заданного предельного значения скорости вращения.
Аварийный режим, который констатируется, как только ветроэнергетическая установка отделяется от сети, в соответствии с этим предусматривает, что роторные лопасти из актуального положения однократно переводятся в предварительно заданное положение. Для этой однократной перестановки рассчитаны соответствующие аварийные источники электроэнергии. Перестановка системы слежения за направлением ветра или установка по азимуту, т.е. установка азимутального угла до сих пор в аварийном режиме не предусматривалась, поскольку необходимая для этого энергия, которую нужно было бы предусмотреть и в аварийных накопителях энергии, была бы очень велика, и поэтому потребовалось бы предоставление аварийной системы снабжения энергией в несколько раз большей, чем аварийная система снабжения энергией для перестановки роторных лопастей. Соответственно этому, далее, необходим выбор размеров ветроэнергетической установки с запасом, чтобы избежать повреждений при аварии в случае скошенного набегающего потока.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы решить проблемы, упомянутые для вышеназванного уровня техники. В частности, должны снижаться требования по стабильности к ветроэнергетическим установкам, чтобы максимально избежать выбора размеров ветроэнергетических установок с запасом, который должен быть рассчитан для случаев косого обтекания в аварийном режиме, или по меньшей мере минимизировать величину такого запаса в размерах.
Немецкое патентное ведомство при проведении информационного поиска по приоритетной заявке выявило следующий уровень техники: US 2011/0076142 A1, WO 2007/132303 A1, US 2010/0078939 A1 и US 2011/0280725 A1.
Кроме того, данное изобретение касается способа эксплуатации ветроэнергетической установки в аварийном режиме. Ветроэнергетическая установка находится, таким образом, в аварийном режиме и, тем самым, отделена от сети тока. Отделение от сети тока здесь не обязательно означает, что должно происходить физическое отделение, однако, включает в себя и такой случай. Во всяком случае отделение от сети означает, что для этого режима ветроэнергетической установки никакая энергия не может отбираться из сети. Под сетью понимается сеть электроснабжения, по которой ветроэнергетическая установка в нормальном режиме предоставляет произведенную энергию, чтобы подать ее, например, потребителям.
Согласно этому способу, детектируется изменение направления ветра. Дополнительно или альтернативно детектируется изменение по меньшей мере одной силы, действующей на ветроэнергетическую установку. Затем, при сохранении актуального азимутального угла азимутальной установки, по меньшей мере одна из роторных лопастей переставляется на другой угол, причем этот угол зависит от детектированного изменения.
Детектирование здесь не следует понимать как измерение. Более того, предпочтительно для детектирования изменения направления ветра сначала измеряют направление ветра, и/или для детектирования изменения силы сначала измеряют силу непрерывно или через некоторые интервалы, предпочтительно в абсолютном значении. Только после этого детектируется изменение по этому измерению с учетом предыдущих измерений, например, в системе управления, если эти измеренные значения для актуально измеренного направления ветра и/или силы отличаются от прежде измеренных направлений ветра и, соответственно, силы.
Изменение направления ветра означает, что сначала имеет место первое направление ветра, и оно меняется на второе направление ветра. Это изменение с первого направления ветра на второе направление ветра соответствует в таком случае детектируемому изменению направления ветра. Изменение действующей на ветроэнергетическую установку силы касается изменения силы, которая предпочтительно оказывается актуальным или господствующим ветром. Если ветер меняется, т.е., в частности, направление ветра или сила ветра, то меняются определенные силы, которые воздействуют на ветроэнергетическую установку, в частности, на компоненты ветроэнергетической установки. По меньшей мере одно из этих изменений силы, которое предпочтительно предварительно определено, изменяется, таким образом, в зависимости от ветра, причем это изменение детектируется.
Для этого служат, например, один или несколько датчиков, например, пленочные тензодатчики, которые расположены, например, на башне и/или на роторных лопастях. Предпочтительно для этого три или четыре датчика устанавливают на башне равномерно в окружном направлении.
Под силой здесь в общем понимается любой силовой параметр, который помимо непосредственно действующих сил охватывает также моменты, в частности, изгибающие моменты, или другие нагрузки.
Согласно этому способу, контролируют, измеряют или определяют направление ветра или по меньшей мере одну силу, и в случае, если направление ветра или сила меняется, это изменение детектируется, так что затем выполняются дальнейшие этапы этого способа. Таким образом, по меньшей мере одна из роторных лопастей устанавливается отлично от того положения, которое она занимала перед изменением направления ветра или изменением силы. То есть, если эта роторная лопасть занимает первое положение при первом направлении ветра или силы, то эта роторная лопасть переставляется так, что она после изменения, т.е. при втором направлении ветра или силы занимает второе положение.
Благодаря этому становится возможным - в случае, если возникает скошенный набегающий поток на ветроэнергетическую установку, и перестановка азимутального угла невозможна вследствие аварийного режима - несмотря на это минимизировать силу, действующую на ветроэнергетическую установку под воздействием ветра. Нагрузка на ветроэнергетическую установку, тем самым, снижается при скошенном набегающем потоке, и ветроэнергетическая установка, таким образом, не требует размеров с запасом, или ее размеры могут выбираться по меньшей мере с меньшим запасом.
Согласно первому варианту выполнения упомянутая по меньшей мере одна роторная лопасть переставляется на угол, который отличается от угла для флюгерного положения, в частности, в случае симметричного обтекания, при сохраненном азимутальном угле, а именно на актуальный азимутальный угол.
Согласно следующему варианту выполнения перестановка по меньшей мере одной из роторных лопастей производится после того, как было детектировано изменение направления ветра и/или изменение силы, так что угол роторной лопасти корректируется на угол, при котором получаются силы и/или изгибающие моменты, действующие на упомянутую по меньшей мере одну роторную лопасть и/или на ротор, и/или на ось ротора, которые минимизированы по сравнению с одним или несколькими другими углами. Предпочтительно эта роторная лопасть приводится во флюгерное положение для нового направления ветра, т.е. направления ветра после изменения, так что возникающие за счет этого направления ветра силы на стороне разрежения и напорной стороне, по существу, компенсируют друг друга.
Таким образом, снижаются силы, воздействующие на ветроэнергетическую установку при скошенном набегающем потоке.
о
о
Согласно следующему варианту выполнения детектируется изменение направления ветра, если горизонтальный разностный угол между первым направлением ветра и вторым направлением ветра лежит выше заранее определенного порогового значения разностного угла. В соответствии с этим изменение направления ветра не детектируется, и роторные лопасти остаются в актуальном положении до тех пор, пока этот разностный угол лежит на этом пороговом значении разностного угла или ниже него. Благодаря этому предотвращается перестановка лопасти уже при небольших разностных углах, хотя на эту роторную лопасть и, соответственно, на ветроэнергетическую установку еще и не оказывается никакой высокой нагрузки за счет еще совсем незначительного скошенного набегающего потока. Тем самым предотвращается ненужная перестановка роторных лопастей то в одну, то в другую сторону. Упомянутое пороговое значение разностного угла предпочтительно лежит в диапазоне от 1 до 10, в частности, в диапазоне от 2 до 5, и может задаваться заранее путем моделирования.
Дополнительно или альтернативно согласно этому варианту выполнения детектируется изменение силы, воздействующей на ветроэнергетическую установку, если разностное усилие между первой детектированной силой и второй детектированной силой лежит выше первого заранее определенного порогового значения разностного усилия. Точно так же не детектируется никакого изменения силы, воздействующей на ветроэнергетическую установку, если это разностное усилие лежит на этом пороговом значении разностного усилия или ниже него.
Согласно следующему варианту выполнения определяется скорость ветра и сравнивается с заранее определенным пороговым значением скорости ветра. Если скорость ветра лежит выше упомянутого заранее определенного порогового значения скорости ветра, то - в случае, если детектируется изменение направления ветра или силы, действующей на ветроэнергетическую установку - азимутальный угол сохраняется, и одновременно упомянутая по меньшей мере одна роторная лопасть переставляется на другой угол. Если скорость ветра лежит ниже этого порогового значения скорости ветра или на нем, то роторные лопасти остаются в актуальном положении. Такое определение скорости ветра и сравнение с упомянутым пороговым значением скорости ветра осуществляется предпочтительно перед этапом детектирования изменения направления ветра. Упомянутое пороговое значение скорости ветра тоже может заранее задаваться путем моделирования.
Здесь учитывается, что только после возникновения определенных сил, вызываемых высокими скоростями ветра, могут произойти повреждения ветроэнергетической установки. Если скорости ветра остаются ниже этого предела, который здесь обозначен как пороговое значение скорости ветра, то для ветроэнергетической установки не возникает никакой опасности, и поэтому нет также и необходимости в перестановке. Как и ранее, согласно этому примеру выполнения можно избежать ненужных процессов перестановки одной или нескольких роторных лопастей.
Согласно следующему варианту выполнения, детектируется изменение упомянутой по меньшей мере одной силы, которая действует на по меньшей мере один компонент ветроэнергетической установки, в частности, на одну или несколько роторных лопастей, на ротор или на ось ротора, если контролируемая сила превышает заранее определенное пороговое значение силы. Для контроля силы служит, например, датчик, например, пленочный тензодатчик. Таким образом, измеряются, например, изгибные силы, действующие на ось ротора или на одну или несколько роторных лопастей, и на основании этого измерения определяется по меньшей мере одна сила, действующая на по меньшей мере один компонент ветроэнергетической установки. Эта сила или эти силы затем сравниваются с пороговым значением силы.
Детектирование изменения, а также сохранение азимутального угла азимутальной установки и перестановка по меньшей мере одной из роторных лопастей происходит только в том случае, если эта определенная сила лежит выше порогового значения силы. Если эта сила лежит ниже порогового значения силы или на этом пороговом значении силы, то роторные лопасти остаются в актуальном положении. Такое определение упомянутой по меньшей мере одной силы и сравнение с пороговым значением силы производится предпочтительно перед этапом детектирования изменения направления ветра. Упомянутое пороговое значение силы тоже может задаваться заранее путем моделирования.
Альтернативно или дополнительно к скорости ветра, тем самым, может определяться сила, оказываемая ветром на ветроэнергетическую установку, и путем назначения упомянутого порогового значения силы по меньшей мере одна из роторных лопастей может переставляться только после того, как эта сила будет создавать риск повреждения ветроэнергетической установки. Если же, с другой стороны, в соответствии с этим из-за этой определенной возникающей силы нет риска повреждения, то можно избежать перестановки роторных лопастей.
Согласно следующему варианту выполнения энергия для перестановки роторных лопастей отбирается из аварийного источника питания, в частности, из аккумулятора ветроэнергетической установки.
В соответствии с этим способ в аварийном режиме осуществляется в том случае, если энергия не может отбираться из сети, к которой подключена данная ветроэнергетическая установка. Благодаря предоставлению аварийного источника питания и снабжению энергией двигателей для перестановки роторных лопастей последняя может осуществляться без обязательного отбора энергии из сети.
о
Согласно следующему варианту выполнения аварийный источник питания в аварийном режиме рассчитывается или его размеры выбираются для двух или более процессов перестановки всех роторных лопастей, в частности, если исходят из того, что каждый процесс перестановки включает в себя поворот каждой роторной лопасти вокруг ее продольной оси по меньшей мере на 90. Таким образом, возможна многократная перестановка роторных лопастей при многократно изменяющемся скошенном набегающем потоке во время аварийного режима. Так, например, после того как было детектировано первое изменение направления ветра, и роторные лопасти были соответственно переставлены, при дальнейшем изменении направления ветра эти роторные лопасти могут быть снова отрегулированы.
о
о
о
о
о
Согласно следующему варианту выполнения роторные лопасти установлены с возможностью поворота на 360 вокруг продольной оси. Если сообразно с этим направление ветра изменяется на 180 относительно симметричного обтекания с передней стороны ротора, то вектор направления ветра после изменения направления ветра указывает, соответственно, на заднюю сторону плоскости роторной лопасти. В этом случае роторные лопасти могут переставляться на 180. При поперечных потоках каждая из этих роторных лопастей может переставляться соответственно на 90 или на 270 относительно флюгерного положения при параллельном обтекании, т.е. при симметричном обтекании, если смотреть при актуальном азимутальном угле. Независимо от направления ветра роторные лопасти могут, тем самым, устанавливаться так, что на эти роторные лопасти независимо от азимутального угла ветер будет оказывать минимальную силу.
Согласно следующему варианту выполнения роторные лопасти могут переставляться по отдельности. Таким образом, каждая роторная лопасть может переставляться так, что ветер будет оказывать на соответствующую роторную лопасть минимально возможную силу.
Далее, данное изобретение касается также системы управления для ветроэнергетической установки, которая выполнена с возможностью осуществления способа согласно любому из вышеописанных вариантов выполнения. Предпочтительно упомянутая система управления для этого содержит вычислительный модуль и один или несколько датчиков, в частности, для детектирования направления ветра, скорости ветра, по меньшей мере одной силы, действующей на один компонент ветроэнергетической установки, и/или дополнительных параметров в качестве данных от сенсоров. Ветроэнергетическая установка в таком случае предназначена для того, чтобы эти данные от сенсоров передавать в систему управления.
Далее, система управления служит для эксплуатации ветроэнергетической установки в аварийном режиме с аварийным источником питания для перестановки роторных лопастей. При этом упомянутая система управления предназначена для того, чтобы побуждать исполнительные механизмы для перестановки роторных лопастей к перестановке в положение, соответственно определенное в этой системе управления. Эта перестановка определяется в зависимости от детектированного изменения направления ветра.
Кроме того, данное изобретение касается ветроэнергетической установки с системой управления согласно любому из вышеописанных вариантов выполнения.
Другие варианты выполнения получаются на основе примеров осуществления, более подробно разъясняемых на чертежах, на которых . показано:
Фиг. 1 - ветроэнергетическая установка на виде сбоку,
Фиг. 2 - ветроэнергетическая установка на виде сверху с роторными лопастями во флюгерном положении,
Фиг. 3 - вид по Фиг. 2 с измененным положением роторной лопасти,
Фиг. 4 - вид сверху по Фиг. 2 и Фиг. 3, с вновь измененным положением роторной лопасти, и
Фиг. 5 - этапы примера выполнения способа.
На Фиг. 1 показана ветроэнергетическая установка 10 с башней 12 и гондолой 14. На гондоле 14 установлен аэродинамический ротор 16 с тремя роторными лопастями 18 и обтекателем 20. Ротор 16 при эксплуатации приводится ветром во вращательное движение и за счет этого приводит в действие генератор в гондоле 14.
Гондола 14 может перемещаться вокруг вертикальной оси 22 в направлении стрелки 24. Эта перестановка называется также установкой по азимуту или слежением за направлением ветра и служит, тем самым, для регулировки азимутального угла ветроэнергетической установки 10. Установка по азимуту служит в соответствии с этим для ориентирования ротора 16 на господствующее направление 26 ветра. Представленный здесь азимут или азимутальный угол определен, например, как азимутальный угол, равный нулю градусов.  В случае данного представленного здесь азимутального угла, а также господствующего направления 26 ветра речь идет о параллельном обтекании или симметричном обтекании. Это имеет место, если ветер 26, по существу, параллельно оси 28 ротора попадает на ротор 16 с передней стороны 30.
Роторные лопасти 18 тоже могут поворачиваться вокруг их продольной оси 32. Это показано стрелкой 34. В данном случае роторные лопасти 18 ориентированы во флюгерном положении. То есть, ветер, который попадает на ротор 16 в направлении 26 ветра, не создает на оси 28 ротора никакого крутящего момента или создает лишь незначительный крутящий момент. Причиной этому является то, что положение роторных лопастей 18 вызывает, по существу, уравновешивание действующих на соответствующую роторную лопасть 18 сил, соответственно, их компенсацию.
Такое флюгерное положение занимается предпочтительно тогда, когда ветроэнергетическая установка 10 не подает в сеть никакой энергии, или ветроэнергетическая установка 10 находится в аварийном режиме, при котором никакая энергия не может отбираться из сети для дополнительной контролируемой регулировки ветроэнергетической установки 10.
На Фиг. 2 показана ветроэнергетическая установка 10 по Фиг. 1 на виде сверху. Одинаковые ссылочные позиции соответствуют одинаковым признакам. На Фиг. 2 ветроэнергетическая установка 10 тоже ориентирована по ветру и, тем самым, имеет место параллельное обтекание. Роторные лопасти 18 тоже установлены во флюгерном положении. Нагрузка на ветроэнергетическую установку 10, таким образом, минимальна.
о
На Фиг. 3 показан первый пример переставленных роторных лопастей 18 согласно предлагаемому изобретением способу. При этом направление 26 ветра повернулось на 90 с первого направления 26а ветра, представленного на Фиг. 2, во второе направление 26b ветра по часовой стрелке относительно направления ветра на Фиг. 2. В соответствии с этим речь больше не идет о параллельном обтекании, показанном на Фиг. 2, а о скошенном набегающем потоке в общем или здесь, в частности, о поперечном потоке. Соответственно, ветроэнергетической установкой 10 детектируется, что произошло изменение направления ветра с первого направления 26а ветра на второе направление 26b ветра.
Альтернативно или дополнительно это изменение направления ветра может также детектироваться по изменению действующей на ветроэнергетическую установку 10 силы. Нагрузки или изменения нагрузки контролируются, например, пленочными тензодатчиками.
о
Как показано на Фиг. 3, азимутальный угол азимутальной установки сохраняется несмотря на изменение направления ветра, и роторные лопасти 18 перемещаются на другой угол, который может называться также вторым углом. Этот второй угол отличается от угла для флюгерного положения при параллельном обтекании при актуальной ориентации азимута. В соответствии с этим упомянутые роторные лопасти 18 теперь так установлены по ветру, что на эти роторные лопасти 18 ветер действует с минимальной силой. На Фиг. 3 можно видеть, что роторные лопасти 18 переставлены на 90 относительно положения на Фиг. 2.
Еще один пример детектированного изменения направления 26 ветра и/или изменения силы, действующей на ветроэнергетическую установку 10, показан на Фиг. 4, где направление 26 ветра теперь обращено на заднюю сторону ветроэнергетической установки 10. Здесь тоже роторные лопасти 18 переставляются при сохранении азимутального угла, так как было детектировано изменение направления ветра или силы, а именно направление ветра, которое отличается от параллельного обтекания при актуальной ориентации азимута. Роторные лопасти 18 здесь переставлены так, что они - если смотреть с направления 26 ветра - находятся во флюгерном положении, причем это флюгерное положение отличается от флюгерного положения при параллельном обтекании при актуальной ориентации азимута, показанного на Фиг. 2.
Таким образом, в зависимости от направления 26 ветра положение роторных лопастей 18, а именно угол установки корректируется по изменяющимся направлениям 26 ветра.
На Фиг. 5 показан пример выполнения этапов способа согласно одному примеру осуществления. На этапе 50 контролируется направление 26 ветра или сила, действующая на ветроэнергетическую установку 10, и на этапе 52 детектируется, что направление 26 ветра или сила изменились. Поэтому на этапе 54 азимутальный угол установки по азимуту ветроэнергетической установки 10 сохраняется, а на этапе 56 роторные лопасти 18 переставляются в зависимости от измененного направления 26 ветра.