專利名稱：具有多個風能裝置的風能設備和控制風能設備的方法
具有多個風能裝置的風能設備和控制風能設備的方法本發明涉及一種具有多個風能裝置的、用于將風場的風能轉化成電能的風能設備和一種控制風能設備的方法。為此，風能設備具有至少一個風能裝置，該風能裝置擁有測風
直O由出版物DElOl 37 272 Al中已知了一種用于具有多個風能裝置的風能設備或風電場的預警系統。由于預警系統，風電場的最先受到風力作用的一個第一風能裝置的測量數據被傳輸給在逆風方向位于第一風能裝置后面的至少一個第二風能裝置。在預警系統中，根據在第一風能裝置區域內測量的風況數據對處于第一風能裝置背風處的第二風能裝置進行控制。在這里利用的知識是，不僅可以像往常一樣在一個唯一的風能裝置上借助風速計測量風況，而且這些測量結果可以也被用于在逆風方向設置于第一風能裝置后面的風能裝置，以便在需要時，例如在出現狂風時，在狂風出現在風電場之前這些測量結果還能夠及時地改變葉片的調整角度，借此在狂風出現在風電場時負荷不會變得如此高，以致可能導致風能裝置損壞。這樣一種預警系統的不足之處是，僅僅針對風廓線(Windprofile)的極端情況、 如風暴警戒或狂風警戒的風廓線，預警系統才會保護風能設備的風能裝置。但是該系統不能對風電場或風能設備的風能裝置進行單獨控制，使在正常的風廓線也能夠最佳地利用該風能設備。本發明的任務是，克服現有技術中的缺陷和說明具有多個風能裝置的用于將風場的風能轉化成電能的風能設備和用于控制風能設備的方法，以便一方面保護風能設備的多個風能裝置免受損壞和另一方面使風能裝置在具有長的使用壽命的同時能夠實現最佳匹配的能量輸出。該任務通過獨立權利要求的主題來解決。優選的改進方案產生于從屬權利要求。按照本發明，創造具有多個風能裝置的用于將風場的風能轉化成電能的風能設備和用于控制風能設備的方法。為此，風能設備具有至少一個風能裝置，風能裝置擁有測風裝置來預測性地測量風廓線。此外，風能設備還有中央存儲裝置，在該中央存儲裝置內多個風廓線模式存儲在風廓線模式列表中。測風裝置預測性地檢測當前的測風值。風能設備具有中央模式識別裝置，其將測風裝置的當前測風值與風廓線模式表的所存儲的風廓線模式進行相關。中央控制裝置單獨地依據一個通過相關確定的風廓線模式來控制風能設備的每一個單個風能裝置。這樣的風能設備所具有的優點是，在具有多個風能裝置的風電場運行期間，能夠用最少的測量花費單獨地控制隸屬風電場的全部風能裝置。通過把風廓線模式存儲在風能設備的中央存儲器中，能夠在存儲的風廓線模式表內就已經規定或考慮到風能設備的應用地區的地理特點，像風能設備的單個風能裝置所工作的山坡、山谷、高地、林中小路和其它地理情況。因此可能的是在山坡的情況下，面向山丘安裝的風能裝置由于風速較高以較小的轉子葉片的迎角運轉，而面向下山安置的風能裝置用較大的迎角還能工作。轉子葉片的迎角通常也稱作“槳距”。這種在風能設備或風電場的應用地區內地理上引起的差別甚至可能導致，風能設備的一部分為了安全起見已經調整到轉子葉片的順槳位置(Segelstellimg)，而風能設備的其它區域還能保持全速運行。為了能夠實現這種情況，優選設置至少一個用于預測性地檢測活躍的風廓線的風能裝置。但是，在極端的地理環境下，也可以給多個風能裝置中的多個分別設置在風電場的極端邊緣位置上的風能裝置配置相應的測風裝置。但是，優選風能設備的風能裝置的數量大于運行的測風裝置的數量。這樣可以實現明顯地降低成本。此外，通過一方面使槳距和另一方面使每個單個設備的俯仰角相應地與確定的風廓線模式進行最佳匹配，從而實現整個風能設備或風電場提早與風況相匹配。為了實現預測性測量的當前測風值與存儲的風廓線模式之間的安全和可靠的相關，優選的是，在風能設備的應用地區檢測多個風廓線作為風廓線模式。通過多個檢測的風廓線模式可以保證，即使在異常的風況下風能設備也能使各個風能裝置與這種風況達到最佳匹配。為了預測性地確定當前值，風能設備具有預測性風傳感器系統作為測風裝置，所述風傳感器系統優選為聲雷達(聲探測和測距)風速計或光雷達(光探測和測距)風速計。 這些測風系統可以優選安裝在風能設備的配備了測風系統的風能裝置的轉子的輪轂上，因為它們然后就可以從時間上在出現在風能裝置上之前和從位置上在風能裝置的前面不受干擾地檢測區域或風況。因此也優選的是，把各個配備有這樣一種測風裝置的風能裝置安置在風電場或風能設備的暴露的位置。在本發明的一個優選的實施方式中，風能設備的風能裝置各擁有一個用于調整轉子承載機艙的俯仰角的裝置，其中，作為對風廓線模式識別的反應，各自的控制裝置調整機艙的俯仰角。此外，還規定風能設備的風能裝置各擁有用于調整轉子葉片迎角的裝置，其中，作為對風廓線模式識別的反應，各自的控制裝置調整轉子葉片的迎角或槳距。最后，為了借助機艙使轉子葉片向各自的風向轉動，風能設備的風能裝置各擁有一個方位調整裝置。此外，風能設備的風能裝置也可以在傳動系有制動裝置來制動轉子并且作為對具有風暴警戒或狂風警戒的風廓線模式識別的反應各自的控制裝置把轉子葉片調整到順槳位置并制動轉子。但是，如上所述，以有利的方式，借助按照本發明的風能設備，即使一個風廓線的條件要求這樣做，規定這也只能針對風電場內的風能裝置的確定的暴露位置，而其它區域仍在工作。一種用于控制具有至少一個風能裝置的風能設備的方法包含下述步驟。首先，優選在安裝單個的風能裝置之前就已經利用多個測風裝置在風能設備的地理應用地區檢測多個風廓線。多個風廓線以風廓線模式列表中風廓線模式的形式被存儲在風能設備的中央存儲裝置內。最后，當風電場安裝完畢之后，當前和預測性地借助風電場的至少一個風能裝置的預測性測風裝置來檢測和分析測風值。此外，還借助模式識別方法將當前的測風值與風廓線模式表中的風廓線模式之間進行相關。隨后可分別地單獨控制風能設備的風能裝置， 以便風能裝置的零部件的負荷以及風能裝置的能量產出與風廓線實現最佳協調。作為對風廓線模式識別的反應，風能設備的每個單個風能裝置的風電場的中央控制裝置可以在考慮在風能裝置的零部件上的反應性(reaktiven)負荷測量的情況下調整轉子和/或機艙的俯仰角。也可以，作為對風廓線模式識別的反應，在考慮在單個風能裝置的零部件上的反應性負荷測量的情況下借助控制裝置分別調整各風能裝置的轉子葉片不同的迎角或槳距，其中，根據風廓線模式識別對方位角、槳距以及俯仰角進行調整。
此外，作為對風廓線模式識別的反應，風能設備的每一個單個風能裝置的各自的控制裝置在傳動系中相應地改變震蕩阻尼，以使這種震蕩最小化。最后規定，作為對具有風暴警戒的風廓線模式識別的反應，風能設備的每一個單個風能裝置的各自的控制裝置把轉子葉片調整到順槳位置并借助制動系內的制動裝置制動轉子。但是，只有在出現極端的風廓線時為了保護單個風能裝置才規定這樣。
現在借助附圖對本發明進行更詳細說明。
圖1示出按照本發明的實施方式的具有多個風能裝置的風能設備的原理圖；圖2示出按照圖1的實施方式的風能設備的風能裝置的原理圖；圖3示出按照圖2的風能裝置的控制裝置；圖4示出按照圖1的風能設備的中央控制裝置的原理圖；圖5示出按照圖1的本發明的風能設備的中央控制裝置的示意性流程圖。圖1示出按照本發明的實施方式的具有多個風能裝置311至3 的風能設備1的原理圖。風能設備1及其多個安裝在應用地區8的風能裝置3n至3 暴露在當前的風場10 之下，根據風廓線6所示，該風場具有不同的風向a至h和不同的風力。在多個風能裝置3n至3 中，優選至少一個風能裝置3具有一個測風裝置，該測風裝置可以預測性地檢測當前的測風值。利用中央模式識別裝置7將這些當前的測風值與多個存儲在中央存儲裝置5內的風廓線模式列表的風廓線模式進行相關。對于每個在應用地區8內的風能裝置3n至3 ，這些風廓線模式都有期待的風速和風向。替代固定地給這些風能裝置之一分配一個測風裝置，也可以與單個的風能裝置無關地在風能設備的區域中設置一個或多個測風裝置。各安置在風能裝置3n至3 的控制裝置4n至4 由一個中央控制裝置4提供控制信號m，因此每個風能裝置3n至3 都可以被調整到期待的風速和風向。控制裝置4為此擁有相應的控制線路20n至20 或一個或多個總線線路，控制信號可以通過多路復用法經這些線路傳輸給風能設備1的多個風能裝置3n至3 。圖2示出按照圖1的實施方式的一個風能設備1的風能裝置3的原理圖。為此， 固定的風能裝置3有一個轉子12和一個機艙9，機艙具有用于把風能轉化成電能的風能裝置3的其它零部件19。此外，風能設備1的風能裝置3被安置在一個風場10，該風場以風向a至h和不同的風速(如風廓線6所示)借助安裝在轉子12的輪轂16上的預測性測風裝置2來檢測。預測性測量的風況以及測量的轉子葉片11的沖擊矩和偏心矩或機艙9的俯仰矩和橫擺力矩在槳距調整時會給予考慮并通過轉子12的轉子葉片11的相應的迎角調整系統14進行調整。此外，轉子通過方位調整裝置31借助機艙向當時的風向轉動。這時連同考慮到風能裝置3的零部件19的負荷極限值。圖3示出在受到在風能裝置3的逆風方向間隔性地被測量的風場10的作用的情況下風能裝置3的一種非中心的控制裝置4。在本發明的該實施方式中，固定的風能裝置3 是一種例如具有IPC (individual pitch control，獨立變槳距控制)-調節器18的風力裝置，并且該IPC-調節器在轉子葉片上為一個三葉式轉子調整不同的槳距角，例如β ，β2 和β 3。IPC-調節器獲得利用傳感器15測量的風能裝置3的負荷作為輸入信號，例如在沖擊方向和/或回轉方向的葉根彎曲力矩，轉子軸上的橫擺力矩和俯仰矩等，并且該IPC-調節器被設計為，其通過調整獨立的槳距角使測量的負荷和/或從中導出的參數最小化。但是，IPC-調節器首先是反應性的，因此只有當已經測量一個負荷時，它才做出反應。現在按照本發明，如圖2和圖3所示，在風能裝置3的前場通過一個帶有例如聲雷達(聲探測和測距)風速計或光雷達(光探測和測距)風速計的測風裝置2測量風場10。為了使上述負荷或特征參數最小化，擾動作用補償單元13從中計算在出現風場時必須如何調整轉子葉片的槳距角β 1，β 2禾口 β 3。計算的槳距角β 1，β 2和β 3現在由風能裝置3調整。該信號路徑是預測性的，就是說，在根本可以對負荷進行反應性測量之前，它通過擾動作用補償單元13做出反應。這時，風能裝置3被如此調整，使得當出現被測風時，在最大可能的發電量的同時零部件的負荷保持在期望的極限之內。現在，由于擾動作用補償單元13，明顯更小的負荷在風能裝置3 上。不可能完全避免負荷，因為風場10直至出現在風能裝置3上會發生變化并且不能排除掉模式誤差。每個單個風能裝置的IPC-調節器18通過信號路徑21僅僅必須還調節這些較小的負荷，其中在IPC-調節器18中通過信號線路22提供傳感器15的傳感器值。總的來說，與傳統的風能裝置3相比可以明顯地降低負荷，在傳統的風能裝置中這種調節器 18必須在沒有擾動作用補償單元13的情況下也能應付。在此兩個信號路徑21和23匯集在加法器17上。圖4示出按照圖1的風能設備1的一個中央控制裝置的原理圖。風場10由風能裝置3檢測并輸送給模式識別裝置7，其中風能裝置3利用光雷達(光探測和測距)風速計作為測風裝置2來配置，該模式識別裝置7把主動的測量的風場與存儲在存儲裝置5中的相應的風廓線模式進行相關并且把存儲的多個風廓線模式中一個與當前的風場10最接近的風廓線模式輸送給中央控制裝置4。如圖1所示，該中央控制裝置向其它的風能裝置3n 至3 的單個單獨的和非中心的控制單元提供相應的控制信號用以優化發電量和保護風能設備311至3 以防過載。圖5示出按照圖1的按照本發明的風能設備1的中央控制裝置的示意性流程框圖。在方框25借助聲雷達或光雷達風速計測量多個風廓線并且在方框沈存儲這些多個風廓線。在方框觀，這些多個風廓線用于借助模式識別方法確定當前的測量與存儲的風廓線之間的相關。為此，在風能設備的應用地區的幾個分散的測量點處預測性地檢測的當前的風廓線被從方框27引導到方框觀并進行相關。以存儲的風廓線模式之一形式的結果通過方框四在中央控制裝置內轉化成多個控制指令，這些控制指令被傳輸給在方框30中列出的各個風能裝置3n至3 ，以便這些風能裝置3n至3 能夠單獨地調整到當前的風廓線。參考符號表1.風能設備2.測風裝置
3.風能裝置4.控制裝置5.存儲裝置6.風廓線7.模式識別裝置8.應用地區9.機艙10.風場11.轉子葉片12.轉子13.擾動作用補償單元14.迎角調整裝置15.傳感器16.輪轂17.加法器18.調節器19.零部件20.控制線路21.信號路徑22.信號線路23.信號路徑24.流程框圖25.流程框圖的方框26.流程框圖的方框27.流程框圖的方框28.流程框圖的方框29.流程框圖的方框30.流程框圖的方框31.方位調整裝置
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權利要求
1.一種具有多個風能裝置(3 )的用于將風場(10)的風能轉化成電能的風能設備，具有至少一個風能裝置(3)，所述至少一個風能裝置擁有測風裝置0)，其中，>風能設備(1)具有中央存儲裝置(5)，在該中央存儲裝置內，多個風廓線模式存儲在風廓線模式列表中，>測風裝置( 預測性地檢測當前的測風值，>風能設備(1)具有模式識別裝置(7)，其將測風裝置( 的當前的測風值與風廓線模式列表的存儲的風廓線模式進行相關，并且其中>中央控制裝置(4)依據通過相關所確定的風廓線模式單獨地控制風能設備的每個單個風能裝置(3 J。
2.根據權利要求1所述的風能設備，其特征在于，風能設備(1)的風能裝置(3 )的數量等于、優選大于運行的測風裝置O)的數量。
3.根據權利要求1或2所述的風能設備，其特征在于，在風能設備(1)的應用地區(8) 中檢測多個風廓線作為風廓線模式。
4.根據前述權利要求中任一項所述的風能設備，其特征在于，風能設備(1)具有預測性的風傳感器系統作為測風裝置O)，所述風傳感器系統優選聲雷達(聲探測和測距)風速計或光雷達(光探測和測距)風速計。
5.根據前述權利要求中任一項所述的風能設備，其特征在于，風能設備(1)的風能裝置(3J分別擁有用于調整轉子承載機艙的俯仰角的裝置，并且各自的控制裝置(4 )作為對風廓線模式識別的反應而調整機艙的俯仰角。
6.根據前述權利要求中任一項所述的風能設備，其特征在于，風能設備(1)的風能裝置(3J分別擁有用于調整轉子葉片迎角的裝置，并且各自的控制裝置^J作為對風廓線模式識別的反應而調整轉子葉片(11)的迎角或槳距。
7.根據前述權利要求中任一項所述的風能設備，其特征在于，風能設備(1)的風能裝置(3 )在傳動系中具有制動裝置來制動轉子(12)，并且各自的控制裝置(4J作為對具有風暴警戒的風廓線模式識別的反應把轉子葉片(11)調整到順槳位置并制動轉子(12)。
8.—種控制具有至少一個風能裝置(3)的風能設備(1)的方法，包含下述步驟，>在風能設備⑴的地理應用地區⑶檢測多個風廓線；>多個風廓線以風廓線模式列表中的風廓線模式的形式被存儲在中央存儲裝置內；>借助預測性測風裝置( 檢測當前的預測性測風值；>借助模式識別方法將當前的測風值與風廓線模式表中的風廓線模式進行相關；>單獨地控制風能設備(1)的風能裝置(3J。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，為了檢測多個風廓線(6)所使用的測風裝置O)的數量高于為了檢測當前的預測性測風所使用的測風裝置的數量。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，使用預測性的風傳感器系統作為測風裝置O)，風傳感器系統優選聲雷達(聲探測和測距)風速計或光雷達(光探測和測距) 風速計。
11.根據權利要求8至10中任一項所述的方法，其特征在于，作為對風廓線模式識別的反應，風能設備⑴的每個單個風能裝置(3 )的中央控制裝置⑷在考慮在風能裝置(3 ) 的零部件上進行的反應式負荷測量的情況下調整轉子(1 和/或機艙(9)的俯仰角。CN 102549259 A
12.根據權利要求8至11中任一項所述的方法，其特征在于，作為對風廓線模式識別的反應，風能設備⑴的每個單個風能裝置(3 )的中央控制裝置⑷在考慮在風能裝置(3 ) 的零部件上進行的反應性負荷測量情況下調整轉子葉片(11)的迎角或槳距。
13.根據權利要求8至12中任一項所述的方法，其特征在于，作為對風廓線模式識別的反應，風能設備(1)的每個單個風能裝置(3 )的各自的控制裝置(4J在傳動系中改變震蕩阻尼。
14.根據權利要求8至13中任一項所述的方法，其特征在于，作為對具有風暴警戒的風廓線模式識別的反應，風能設備⑴的每個單個風能裝置(3J的各自的控制裝置(4J把轉子葉片(11)調整到順槳位置并借助制動系內的制動裝置制動轉子(12)。
全文摘要
本發明涉及一種具有多個風能裝置(3nm)的用于將風場的風能轉化成電能的風能設備(1)和一種用于控制風能設備(1)的方法。為此，風能設備(1)具有至少一個風能裝置(3)，并且風能裝置擁有測風裝置(2)。此外，風能設備(1)具有中央存儲裝置(4)，在該中央存儲裝置內多個風廓線模式存儲在風廓線模式列表中。測風裝置預測性地檢測當前的測風值。風能設備(1)有中央模式識別裝置(7)，其將測風裝置(2)的當前的測風值與風廓線模式列表的存儲的風廓線模式進行相關。中央控制裝置(4)依據一個通過相關確定的風廓線模式單獨地控制風能設備的每個單個風能裝置(3nm)。
文檔編號F03D7/02GK102549259SQ201080029320
公開日2012年7月4日 申請日期2010年5月31日 優先權日2009年6月29日
發明者B·門滋, H-J·坦伯格, R·雷波德-布特納, V·克諾布勞奇 申請人:羅伯特·博世有限公司