用于控制风能设备的方法技术

本发明专利技术涉及用于控制风能设备的方法，风能设备具有转子，转子具有能在其叶片角方面调节的转子叶片，转子能以可变的转速运行，方法包括步骤：如果不存在扼流的要求，则在正常运行点中运行风能设备，风能设备不被扼流地运行；在扼流运行点中运行风能设备，风能设备按照扼流要求以相对于正常运行点扼流的输出功率运行；将风能设备的运行从扼流运行点变换到储备运行点中，作为对功率增加要求的响应，风能设备相对于扼流运行点以更高的输出功率运行，扼流运行点相对于储备运行点具有增加的叶尖速比，以及扼流运行点在λθ图表中处于相应的Iso特性曲线上，并且相应的Iso特性曲线在扼流运行点中具有负的特性曲线斜率，其中叶尖速比随着叶片角的增加而减小。随着叶片角的增加而减小。随着叶片角的增加而减小。

【技术实现步骤摘要】
用于控制风能设备的方法


[0001]本专利技术涉及用于控制风能设备的方法。本专利技术也涉及风能设备。

技术介绍

[0002]为了运行风能设备，通常在部分负载运行中、即当风速低于额定风速时，借助于尽可能最优的运行点运行所述风能设备。在具有可变的转速的和具有可在其叶片角方面调节的转子叶片的转子的风能设备的情况下，这种运行点的特征在于转速、叶片角和所产生的输出功率。因此，如果设定最优的运行点，则用于随后盛行的风速的输出功率是风能设备可以在风速下持续地产生的最大功率。
[0003]为了示出所述运行点和其他运行点，通常使用在此称为λθ图表的叶尖速比
‑
叶片角图表。因此，在所述λθ图表中，在相同运行点的叶片角θ的对应值的情况下，绘制所涉及的运行点的叶尖速比λ。
[0004]叶尖速比λ通常被定义为转子叶片的叶片尖端速度相对于风速的比。因此，所得出的叶尖速比λ是无单位的。通过考虑转速与风速之间的关系，可以将λθ图表用于不同的风速。因此，可以在相同的图表中绘制不同风速的运行点。在理想情况下，不同风速的运行点在所述图表中甚至可以相同。
[0005]如果叶片角在不同的风速下保持恒定、即不改变，并且转速与风速成比例，则这种相同的运行点可以在部分负载运行中得出。恰好在风能设备的理想的设计方案中也力求这种状态。即，如果转速和风速彼此成比例地改变，则迎流角保持相同，空气实际上以所述迎流角迎流转子叶片。因此，使叶片角同样不改变也是有意义的。
[0006]在此，输出功率当然不保持相同，因为随着风速的增加和转速的增加也可以产生更多功率。
[0007]附加地，常见且有意义的是，在λθ图表中绘制也称为Cp值的功率系数。因此，这种功率系数说明如下效率：对应的运行点可以借助于所述效率将风功率转换成旋转功率。为了更好地示出，在分别为闭合线的共同的线上绘制了具有相同Cp值的运行点。例如，这种Cp特性曲线可以以0.05的步长绘制。在此，所述特性曲线也称为Iso特性曲线。在风能设备的优化设计方案中，所述风能设备的运行点在部分负载运行中处于最高可能的Cp值中，所述最高可能的Cp值略微大于0.45。
[0008]因此，运行点的确定比较明确、即尽可能使得功率收益尽可能地高，这通常引起处于具有最高Cp值的Iso特性曲线内的运行点。但是，根据边界条件可能的是，运行点不能达到所述理想值。尤其在非常低的风速下，摩擦状态例如可能占优势，使得应选择具有比较高的转速、即较高的叶尖速比的运行点，所述运行点然后也可以具有增加的叶片角。风能设备的最大转速也受限制。因此，从确定的风速开始，设备的转速不允许进一步升高，并且运行点到达最优值外。但是，也可以通过模拟或可能的调整来立即确定这种运行状态。
[0009]现在考虑应满足预设减小的输出功率的附加要求。例如，对于例如可以为15分钟但是也可以持续多个小时的时间段，可能要求减小的输出功率，以便借此符合供电网的情
况。这种情况可以在对功率的对应少的需求时发生，但是也可以要求所述情况以便提供储备功率。在提供储备功率时，与由于盛行的风可能引起的输出功率相比，风能设备以更少的输出功率运行，使得在功率需求突然升高的情况下，所述风能设备然后可以增加其功率生产，即可以持续地增加到可从盛行的风中产生的最大的功率。但是，也考虑其他预设，如例如减小地运行风能设备以用于噪声最小化的预设。在此，减少可以涉及输出功率，但是也可以涉及转速。
[0010]如果现在存在对于功率减小的要求，则存在选择对应的运行点的多种可行性。在任何情况下，不再选择最优的运行点、即在最大的Cp值中的运行点，因为所述运行点将引起最大功率，但是所述最大功率是不期望的。例如可以选择具有减小的功率的运行点，使得在尽可能小的磨损的情况下产生减小的输出功率。也可以选择运行点，使得所述运行点特别稳定，因此风速的小的改变不引起流分离效应(Stall
‑
Effekt)，即不引起空气动力学的崩溃。
[0011]但是，选择具有尽可能小的磨损的运行点的期望也可能引起不同的变型。因此，如果风能设备的转速尽可能小，则可以存在小的磨损。但是，这可能引起，在风速改变时，通常必须调整转子叶片的迎角，使得所述运行点然后关于转子叶片的调节驱动装置不是低损耗的。在此可能可以定义质量评定标准，所述质量评定标准包括这种不同的要求。
[0012]现在可能出现其他情况，其中风能设备必须从减小的运行点中尽可能快速地趋向(ansteuern)较少减小的运行点。这种要求也可以从供电网的情况中得出，特别地，供电网的电网频率的快速频率改变可以触发这种需求。特别当供电网的电网频率下降到低于例如可以低于电网额定频率的0.3％的极限值时，可能需要使减小地运行的风能设备快速地增加其输出功率、即特别以进一步下降的电网频率增加其输出功率。
[0013]然后，从中得出对于所述新的情况找出运行点的问题。在此，可能也重要的是，找出从减小的运行点相对于较少——或可能也完全不再——减小的运行点的过渡。
[0014]在欧洲优先权申请中，欧洲专利局检索了以下现有技术：WO 2018/033191 A1；Daan van der Hoek等人的“Comparison of Down
‑
Regulation Strategies for Wind Farm Control and their Effects on Fatigue Loads”，2018Annual American Control Conference(ACC)，AACC，2018年6月27日，第3116
‑
3121页；Mahmood Mirzaei等人的“Model Based Active Power Control of a Wind Turbine”，American Control Conference (ACC)，IEEE，2014年6月4日，第5037
‑
5042页。

技术实现思路

[0015]因此，本专利技术所基于的目的在于，解决上文中所提及的问题中的至少一个问题。尤其应找出一个解决方案，借助于所述解决方案预设减小的运行点。尤其也应在相对于较少减小的运行点的进一步改变方面尽可能有利地选择所述减小的运行点。尤其也应对于这种较少减小的运行点的选择提供建议。至少应相对于迄今为止已知的解决方案提出一个替选方案。
[0016]根据本专利技术，提出说明书所述的用于控制风能设备的方法。因此，基于如下风能设备：所述风能设备具有转子，所述转子具有可在其叶片角方面调节的转子叶片，并且其中转子能以可变的转速运行。就此而言，可以基于常见的风能设备。
[0017]所述方法涉及风能设备在部分负载范围内运行的情况。部分负载范围的特征在于，不存在足够的风以便以额定功率来运行风能设备。借此，风速也低于额定风速。在此，风能设备的转速通常也低于额定转速。
[0018]风能设备可在可以可变地预设的运行点中运行，并且所述运行点的特征在于叶片角即叶片角的值以及叶尖速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于控制风能设备(100)的方法，其中
‑
所述风能设备(100)具有转子(106)，所述转子具有能在其叶片角(θ)方面调节的转子叶片(108)，并且所述转子(106)能以可变的转速(n)运行，并且其中
‑
所述风能设备(100)在部分负载范围内运行，在所述部分负载范围内，不存在足够的风以便以额定功率(P
N
)来运行所述风能设备(100)，
‑
所述风能设备(100)能在能够可变地预设的运行点(302，308，310)中运行，以及
‑
所述运行点(302，308，310)的特征在于叶片角(θ)和叶尖速比(λ)，并且其中
‑
所述运行点(302，308，310)能在λθ图表中示出，其中
‑
在所述λθ图表中，所述叶尖速比(λ)关于所述叶片角(θ)绘制，以及
‑
所述运行点(302，308，310)能在所述λθ图表中示出为由所述运行点的叶片角(θ)和所述运行点的叶尖速比(λ)构成的一对值，其中
‑
每个运行点(302，308，310)与功率系数(Cp值)相关联，以及
‑
具有相同Cp值的多个运行点(302，308，310)能示出为所述λθ图表中的Iso特性曲线，所述方法包括如下步骤：
‑
如果不存在扼流的要求，则在正常运行点(302)中运行所述风能设备，在所述正常运行点中，所述风能设备(100)不被扼流地运行，
‑
在扼流运行点(308)中运行所述风能设备(100)，在所述扼流运行点中，所述风能设备(100)按照扼流要求以相对于所述正常运行点(302)扼流的输出功率(P
A
)运行，以及
‑
将所述风能设备的运行从所述扼流运行点(308)变换到储备运行点(310)中，在所述储备运行点中，作为对功率增加要求的响应，所述风能设备(100)相对于所述扼流运行点(308)以更高的输出功率运行，其中
‑
所述扼流运行点(308)相对于所述储备运行点(310)具有增加的叶尖速比，以及
‑
所述扼流运行点(308)在所述λθ图表中处于相应的Iso特性曲线上，并且所述相应的Iso特性曲线在所述扼流运行点(308)中具有负的特性曲线斜率，在所述负的特性曲线斜率中，所述叶尖速比随着叶片角的增加而减小。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特性曲线斜率在所述扼流运行点(308)中以在数值上至少为0.5/1
°
的值减小。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
‑
所述储备运行点(310)
‑
相对于所述正常运行点(302)以更小的输出功率运行，和/或
‑
相对于所述扼流运行点(308)具有减小的叶尖速比，并且可选地
‑
相对于所述正常运行点(302)具有增加的叶尖速比。4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
‑
所述扼流运行点(308)和/或
‑
所述储备运行点(310)根据
‑
在所述扼流运行点(308)中或在所述储备运行点(310)中的两个Iso特性曲线的间距和/或
‑
所述扼流运行点(308)或所述储备运行点(310)的功率系数的梯度来选择。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
‑
选择所述扼流运行点(308)和/或所述储备运行点(310)，使得在不同情况下
‑
所述扼流运行点(308)或所述储备运行点(310)的功率系数(C
P
)根据所述叶片角的导数在数值上超过预确定的最小导数值，尤其地，
‑
对于所述扼流运行点(308)，所述最小导数值至少为0.3/6
°
(＝0.05/1
°
)，和/或
‑
对于所述储备运行点(310)，所述最小导数值至少为0.1/6
°
。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，
‑
所述风能设备(100)能够通过由所述λθ图表中的Iso特性曲线构成的特性曲线场来表征，以及
‑
所述特性曲线场能够被定义为标准化特性曲线场，在所述标准化特性曲线场中，所述叶片角被标准化到全部度数上(
°
)，
‑
在所述标准化特性曲线场中构成第一子范围，在所述第一子范围内，
‑
所述叶片角大于所述正常运行点的叶片角，以及
‑
所述ISO特性曲线具有负的特性曲线斜率，在所述负的特性曲线斜率中，所述叶尖速比随着叶片角的增加而减小，
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在所述标准化特性曲线场中，每个运行点的特征在于梯度值，所述梯度值量化所述标准化特性曲线场中的运行点的功率系数的最大斜率，
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其中在所述标准化特性曲线场的第一子范围内，对于每个Iso特性曲线存在具有最大梯度值的运行点，并且能示出梯度特性曲线，所述梯度特性曲线将所有所述运行点与最大梯度值连接，其中
‑
选择所述扼流运行点(308)和/或所述储备运行点(310)，使得所述扼流运行点和/或所述储备运行点分别处于所述梯度特性曲线上，和/或
‑
处于包括所述梯度特性曲线(320)的梯度带中，其中
‑
所述梯度带
‑
具有上带界限(321)，所述上带界限以上叶尖速比差高于所述梯度特性曲线，以及
‑
具有下带界限(322)，所述下带界限以下叶尖速比差低于所述梯度特性曲线，其中
‑
所述上叶尖速比差和所述下叶尖速比差优选地分别最大具有值2，尤其最大具有值1，或者
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所述上叶尖速比差最大具有值1，以及
‑
所述下叶尖速比差最大具有值4。7.根据上...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰内斯，
申请(专利权)人：乌本产权有限公司，
类型：发明
国别省市：