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CN115370529A - 用于控制风能设施的方法、风能设施和风电场 - Google Patents

用于控制风能设施的方法、风能设施和风电场 Download PDF

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CN115370529A
CN115370529A CN202210545057.4A CN202210545057A CN115370529A CN 115370529 A CN115370529 A CN 115370529A CN 202210545057 A CN202210545057 A CN 202210545057A CN 115370529 A CN115370529 A CN 115370529A
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Abstract

本公开内容涉及用于控制风能设施的方法、所属的闭环控制器结构、所属的风能设施和所属的风电场。风能设施具有空气动力学转子，空气动力学转子以可变的转速运行；和在其叶片角度方面可调节的转子叶片，风能设施在至少一个运行范围中通过转速闭环控制来闭环控制，其中通过调节所述转子叶片的转子状态变量将所述转速闭环控制到转速期望值，其中所述转速闭环控制包括使用储备值，以用于设定所述转子状态变量，其中对于下述情况从所述风能设施的目标功率或目标力矩与所述风能设施的瞬时功率或瞬时力矩的比较中获得所述储备值：所述风能设施尚未在所述目标功率或所述目标力矩的情况下运行。

Description

用于控制风能设施的方法、风能设施和风电场
技术领域
本公开内容涉及一种用于控制风能设施的方法、一种所属的风能设施和一种所属的风电场。
背景技术
风能设施是已知的，所述风能设施从风中获取电功率。为此，所述风能设施通常具有带有转子叶片的转子，所述转子叶片由风移动。然后，转子以也与风速相关的转子转速旋转并且驱动发电机。
为了控制这种功率产生，能够调节转子叶片的迎角，这称为桨距角。此外，能够影响发电机的输出功率或发电机力矩，以用于控制风能设施。由此也引起可变的转子转速，进而引起可变的发电机转速。在无传动装置的风能设施的情况下，转子转速对应于发电机转速。
风能设施的控制特别是具有以下目的：在低转速情况下确保尽可能功率上最优的运行，其中产生尽可能多的功率。在高风速情况下，风能设施控制为，使得在没有过度负荷作用于风能设施的情况下，遵守转速限制和功率限制。
在低风速情况下，也可能指的是部分负荷运行或部分负荷范围，而在高风速情况下，可能指的是满负荷运行或满负荷范围。在部分负荷运行中，因此可以产生尽可能多的功率，而在满负荷运行中，风能设施控制为，使得保护所述风能设施免于过度负荷。相应的控制设计方案是已知的。因此，对于部分负荷运行使用特性曲线控制，其中运行特性曲线预设了在转速和为其设定的功率之间的关系。叶片角度在此通常是恒定的。在满负荷运行中，通常使用转速闭环控制，所述转速闭环控制经由对转子叶片的调节来尝试：在恒定功率情况下将转速同样保持为恒定的。
在所述基本要求中能够添加另外的特点。因此，越来越频繁地引起：在电网运营商方面要求改变功率期望值，风能设施必须对所述改变做出迅速反应。此外存在其它的闭环控制的易出错性，尤其是转速闭环控制的易出错性，由此短暂的风骤降会引起产量损失。
发明内容
在该背景下，本公开内容所基于的目的是，提供一种风能设施的改进的转速闭环控制，即一种用于控制风能设施的方法以及所属的风能设施。
在一个方面中，提出一种用于控制风能设施的方法，其中所述风能设施具有：空气动力学转子，所述空气动力学转子以可变的转速运行；和在其叶片角度方面可调节的转子叶片，其中所述风能设施在至少一个运行范围中通过转速闭环控制来闭环控制，其中通过调节转子叶片的转子状态变量将转速闭环控制到转速期望值，称作期望转速。
转速闭环控制包括使用储备值，以用于设定转子状态变量，其中所述储备值从风能设施的目标功率或目标力矩与风能设施的瞬时功率或瞬时力矩的比较中对于下述情况获得：风能设施尚未在目标功率或目标力矩下运行。
因此，该方法提供了对已知的闭环控制器结构的扩展，其中通过调节作为作用变量的转子状态变量来闭环控制转速。通过使用储备值来校正作用变量或其控制误差，能够实现作用变量的较大的偏差，即总是在存在充足的储备时才如此。储备值例如能够理解为风能设施可以从风中提取多少附加的功率而不会达到功率或负荷极限的量度。
根据本发明，在转速闭环控制的任意的部位处能够实施储备值的包含。如果例如转速闭环控制包含P和/或D调节器，那么储备值能够在各个调节机构之前或之后进行，以用于影响闭环控制。在并联的调节支路的情况下，甚至仅一个调节支路也会受到储备值影响。
对于本发明而言唯一决定性的是，在转速闭环控制的过程中最终设定的转子状态变量示出与储备值的关联性。在不同的储备值的情况下，因此可察觉要设定的转子状态变量的差异。在已知的转速闭环控制中的储备值的精确的实施和内部集成根据专业知识实施。
转子状态变量例如能够是桨距角或者也能够是桨距速率，其中其它转子状态变量如空气动力学附件的偏转角，例如襟翼的偏转角，或者还有转子叶片本身的扭转等是可设想的。
优选地，不同时调整发电机的发电机力矩或发电机功率，因为发电机力矩或发电机功率作为瞬时功率或瞬时力矩来确定储备值。
瞬时功率优选是实际功率，例如发电机的气隙功率、在变压器处的功率，或者是位于这两者之间的功率值。该实际功率能够通过一个或多个功率传感器来确定。但是，瞬时功率也能够包含相应的功率的当前期望值，所述当前期望值用作为功率闭环控制的期望值。决定性的是，瞬时功率与目标功率具有相同的参考点。
与实际功率相反，在使用功率闭环控制的期望值时，不会出现错误场景，使得储备功率在功率闭环控制错误的情况下持久地存在于发电机中。
在此以及在本公开内容的其他过程中，说明书主要利用功率进行详述。类似地，相应的力矩能够代替功率，而无需在每种情况下都明确详述。因此，对于功率描述的设计方案可以同样和在实现相同的优点的情况下用相应的力矩来实施。
优选地，转速闭环控制进行为，使得从预设的期望转速与所检测到的实际转速的比较中确定转子的第一控制误差，借助储备值校正所述第一控制误差，以便能够获得第二控制误差，并且从第二控制误差中确定桨距角或桨距速率作为用于设定转子状态变量的期望值。
在该优选的设计方案中，因此在确定用于设定转子状态变量的期望值之前将储备值包括在内，而在其它实施方案中，例如也仅为了校正特定的期望值而将储备值包括在内。
此外由于转子惯性，一项挑战是，将转速闭环控制用于快速引入功率变化。通过借助该储备值来校正转速控制误差，称为第一控制误差，那么从中产生的第二控制误差能够具有比期望转速和实际转速的实际偏差更高的值。该例如更高的第二控制误差因此能够实现更快地引入功率变化，因为将转子状态变量调节了例如与通过实际的转速控制误差所显示的量值更大的量值。
优选地，目标功率或目标力矩确定为以下值中的最小值：
-风能设施的最大功率或最大力矩，
-允许电网侧的功率限制的最大功率或最大力矩，和-来自风能设施的特殊运行中的最大功率或最大力矩，尤其是发电机干燥运行和/或风暴闭环控制运行中的最大功率或最大力矩。
在此尤其由于载荷限制，如例如发电机的结构上的载荷限制、空气动力学、负荷等存在最大功率或最大力矩。在某些情况下，其也能够高于风能设施的标称功率，例如如果在低温下也能够实现比标称功率更高的发电机功率，而不会损坏发电机。
但是，在其它情况下，最大功率或最大力矩也能够通过风能设施的标称功率来确定。
优选地，在将储备值包括到转速闭环控制中之前，对储备值执行以下操作a)至d)中的至少一个、优选多个、和特别优选所有操作。
a)对于期望转速与所检测到的实际转速的偏差低于阈值的情况，将储备值置零。由此，对于期望转速与实际转速的偏差使用显著性标准。
b)对于储备值为负的情况，将储备值置零。由此能够确保：根据术语“储备”的含义，在进一步的闭环控制中仅包括正的功率储备或力矩储备。
c)根据滤波函数对储备值进行缩放，尤其是削弱。借助这种操作，能够削弱在量值上大的储备值的作用，这例如出于负荷原因是有利的。
d)将储备值限制为最大储备值。出于负荷原因，该操作也能够是有利的，因为防止了在量值上过大的储备值。
优选地，在借助储备值进行校正之前，第一控制误差借助于至少一个控制误差极限值被限制到允许的控制误差范围。
在这种情况下，限制不仅在下限处意即关于转子的减速方面而且在上限处意即关于转子的加速方面都是有利的。这尤其从负荷考虑中实现。
在借助储备值进行校正之后，在允许范围之外的更高的控制误差值是可行的。因此，第二控制误差能够高于对于第一控制误差所允许的值。
优选地，至少一个控制误差极限值是可设定的和/或提供具有不同的值的控制误差上限值和下限值作为至少一个控制误差极限值。
优选地，基于转速变化、转速加速度、转速变化的函数和/或转速加速度的函数来确定第一控制误差。
作为控制变量，转速比较缓慢。已证明的是，基于转速变化、转速加速度或其函数来闭环控制转速能够实现更有效和更快速地闭环控制转速。
优选地，转速闭环控制具有包含第一调节器的外级联和包含第二调节器的内级联，其中第二调节器尤其包含借助储备值校正的控制误差作为参考变量。
优选地，第二调节器的控制误差包括转子的加速度期望值。
优选地，第一控制误差包括第一加速度期望值，而第二控制误差包括第二加速度期望值，并且将第二加速度期望值与转子的加速度实际值进行比较，以便能够将桨距角或桨距速率确定为用于设定转子状态变量的期望值。
优选地，第一加速度期望值、第二加速度期望值和加速度实际值分别构成为加速功率和/或加速力矩，其中加速功率与转子加速度相关联并且描述需要引起转子加速的功率，和/或加速力矩与转子加速相关联，并且描述需要引起转子加速的力矩。
优选地，内级联，尤其是第二调节器具有带有积分器限制的积分元件，以用于确定用于设定转子状态变量的作用变量或所述作用变量。
优选地，积分器限制是可设定的，和/或积分器限制具有不同的上限值和下限值。
优选地，至第二调节器的反馈信号包括由转子吸收的空气动力学功率，其中由转子吸收的空气动力学功率包括转子加速功率和由风能设施的另一组件吸收的至少一个功率，尤其是风能设施的发电机的发电机功率之和，其中转子加速功率描述了由风能设施的转子吸收的功率的被转换为转子的加速度的部分。
优选地，该方法还包括a)确定空气动力学的塔振动功率或空气动力学的塔振动力矩，和b)利用空气动力学的塔振动功率或空气动力学的塔振动力矩来校正转子加速功率。
通过考虑空气动力学的塔振动功率，获得实际归因于风的空气动力学的加速功率，因此能够进一步改进转速闭环控制。
优选地，确定空气动力学的塔振动功率或空气动力学的塔振动力矩包括：
-确定在风能设施的区域中的绝对风速，
-根据绝对风速确定在转子上的纯风功率，
-根据塔顶和/或吊舱的速度来确定在转子上的视在风功率或视在风力矩；
-根据视在风功率和纯风功率之差来确定空气动力学的塔振动功率或空气动力学的塔振动力矩。
通过从视在风功率和纯风功率中确定空气动力学的塔振动功率，能够更精确和更快速地闭环控制风能设施。尤其，由此能够将用于闭环控制的干扰变量解耦，这因此引起：闭环控制，尤其是风能设施的转速闭环控制甚至不会激发塔振动。因此，根据本发明，塔振动的通常需要的衰减已经失去意义，因为塔振动首先完全没有被激发。
能够以已知的合适的方式估计、确定或测量塔顶或吊舱的速度。因此，为此例如能够将加速传感器集成在吊舱或塔顶中，或者也能够在塔的任意部位处设有应变仪。
塔顶或吊舱速度优选包括在吊舱的轴向方向或纵向方向上的速度分量。
绝对风速优选从视在风速中确定，所述视在风速通过合适的、已知的方式估计、确定或测量。为此例如能够使用风速计或风力估计器，其从风能设施的运行参数中，尤其是从负荷和/或功率中估算风。
因此，通过如下方式获得绝对风速：利用参考系统尤其是风能设施的塔顶运动的速度来补偿视在风速。
然后基于塔顶和/或吊舱的速度以及绝对风速来确定在转子上的视在风功率。
优选地，绝对风速不受塔顶的速度影响，并且对应于在风能设施的区域中确定的风速减去风能设施的塔顶和/或吊舱的速度。
优选地，转子的功率或力矩以与一个因子相乘的空气动力学的塔振动功率或塔振动力矩来校正，其中该倍乘因子位于0.5和5之间，优选位于1和4之间。
最优解耦的干扰变量在倍乘因子为1的情况下实现，在值大于1时塔振动被主动衰减。
优选地，转速闭环控制构成为用于，在部分负荷范围的至少一个可预设的转速范围中和/或在从部分负荷范围到满负荷范围的过渡范围中借助将转速功率闭环控制和桨距闭环控制叠加将风能设施闭环控制到转速期望值，其中在桨距闭环控制的情况下，通过调节转子状态变量，尤其是调节桨距角，将转速闭环控制到转速期望值，并且其中在转速功率闭环控制的情况下，通过调节要设定的发电机状态变量，尤其是发电机功率或发电机力矩，闭环控制转速。
优选地，在部分负荷范围中的过渡范围位于上部的转速范围中，其特征在于自过渡转速开始的转速，其中上部的转速范围尤其位于转速回避范围之上，其中风能设施的特征在于标称转速，并且过渡转速为桨距闭环控制的标称转速和/或期望转速的至少80％，尤其是至少85％。
优选地，对于转速功率闭环控制，转速期望值经由过渡转速特性曲线来预设，所述过渡转速特性曲线形成所述转速特性曲线或转速特性曲线，其中对于具有对应于过渡转速的转速值的转速，过渡转速特性曲线垂直地伸展，使得随着发电机状态变量提升，转速是恒定的，直至发电机状态变量达到预定的第一发电机参考值，所述第一发电机参考值低于发电机状态变量的标称值，和/或过渡转速特性曲线自过渡转速起和/或自第一发电机参考值起具有正斜率，使得发电机状态变量的值随着转速增大而增大，直至达到发电机状态变量的标称值。
优选地，第二控制误差从转速功率闭环控制传递给桨距闭环控制，并且转速功率闭环控制和桨距闭环控制至少部分地并行工作并且经由第二控制误差相互协调，和/或其中根据第二控制误差在转速功率闭环控制和桨距闭环控制之间进行切换或过渡。
优选地，转速功率闭环控制优先于桨距闭环控制，尤其是使得只要转速功率闭环控制没有达到作用变量限制，则全部或部分地抑制桨距闭环控制，和/或桨距闭环控制附加地根据转子的加速度实际值来控制转速，并且在转速功率闭环控制时发电机期望值低于发电机期望值极限越远，则通过桨距闭环控制抑制转速的闭环控制就越多。
在另一方面中，提出一种用于风能设施的闭环控制器结构，其中所述风能设施具有空气动力学转子，所述空气动力学转子以可变的转速运行，并且具有在其叶片角度方面可调节的转子叶片，其中所述风能设施在至少一个运行范围中通过转速闭环控制器闭环控制，其中通过调节转子叶片的转子状态变量将所述转速闭环控制到转速期望值，称为期望转速。闭环控制器结构构成为用于，为了设定转子状态变量包括使用储备值，其中
对于以下情况从风能设施的目标功率或目标力矩与风能设施的瞬时功率或瞬时力矩的比较中获得储备值：风能设施尚未在目标功率或目标力矩下运行。
闭环控制器结构能够与所描述的用于控制风能设施的方法的所有优选的设计方案组合。在此以相同的方式实现在该处描述的优点。
优选地，闭环控制器结构构成为，使得
-从预设的期望转速与所检测到的实际转速的比较中确定转子的第一控制误差，
-借助储备值校正第一控制误差，以便获得第二控制误差，和-从第二控制误差中确定桨距角或桨距速率作为用于设定转子状态变量的期望值。
在另一方面中，提出一种具有根据本公开内容的闭环控制器结构的风能设施。
为此，闭环控制器结构例如能够具有与已知的风能设施的设施控制装置相同的组件，包括计算单元如微处理器和/或CPU以及合适的存储器组件和接口。因此，在这种情况下，闭环控制器结构通过在其上存储的和/或执行的软件与已知的风能设施的控制装置相区分。在其它实施方案中，该方法也能够部分地或完全地通过硬件实施。
在又一实施方案中，控制装置或闭环控制器结构被划分，其中仅控制装置的一部分位于风能设施的空间区域内，例如在风能设施的吊舱中或在风能设施的塔内，并且控制装置的其它部分在空间上远离的计算机单元上实现。例如，远程计算机单元包括服务器，所述服务器经由互联网与控制装置的其它部分连接。
在另一方面中，提出一种具有根据本公开内容的多个风能设施的风电场。
根据该方面的风电场以及根据之前描述的方面的风能设施能够与所公开的方法的所有优选的设计方案组合，并且在此实现相同的优点。
附图说明
下面参考附图描述其它优点和优选的设计方案。在此示出：
图1示意性地和示例性地示出风能设施；
图2示意性地和示例性地示出风电场；
图3示意性地和示例性地示出用于风能设施的转速闭环控制器的闭环控制器结构；
图4示意性地和示例性地示出用于确定储备值的图表；
图5示意性地和示例性地示出另一闭环控制器结构；
图6示意性地和示例性地示出具有校正的闭环控制器结构；
图7示意性地和示例性地示出风力估计器。
具体实施方式
图1示出根据本发明的风能设施的示意图。风能设施100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学转子106。在风能设施运行时，空气动力学转子106通过风置于转动运动中，进而也使发电机的电动力学的转子或旋转件转动，所述电动力学的转子或旋转件与空气动力学转子106直接或间接地耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。转子叶片108的桨距角能够通过在相应的转子叶片108的转子叶片根部109上的变桨马达来改变。
风能设施100在此具有在吊舱104中示出的发电机101。借助于发电机101能够产生电功率。为了馈入电功率设有馈电单元105，所述馈电单元特别是能够构成为逆变器。由此能够根据幅度、频率和相位产生三相馈电电流和/或三相馈电电压，以用于在电网连接点PCC处进行馈电。这能够直接进行，或者也能够与风电场中的其它风能设施一起进行。为了控制风能设施100以及还有馈电单元105，设有设施控制装置103。设施控制装置103也能够从外部，尤其从中央风电场计算机获得预设值。
图2示出具有示例性三个风能设施100的风电场112，所述风能设施能够是相同的或不同的。因此，这三个风能设施100代表风电场112的基本上任意数量的风能设施。风能设施100经由风电场网络114提供其功率，即尤其是所产生的电流。在此，将各个风能设施100的分别产生的电流或功率相加，并且通常设有变压器116，所述变压器向上转换风电场中的电压，以便然后在馈电点118处将其馈入供电网120中，所述馈电点通常也称为PCC。图2仅是风电场112的简化视图。例如，风电场网络114能够不同地设计，其方式例如为也在每个风能设施100的输出端处存在变压器，仅算作另一实施例。
风电场112还具有中央风电场计算机122，所述中央风电场计算机也能够同义地称为中央风电场控制装置。所述中央风电场计算机能够经由数据线124或无线地与风能设施100连接，以便经由此与风能设施交换数据，并且尤其从风能设施100获得测量值并且将控制值传输给风能设施100。
用于运行风能设施的闭环控制器结构是已知的。所述闭环控制器结构例如构成为设施控制装置103的一部分。所谓的桨距控制的风能设施是最广泛使用的，其中风能设施的转子的转子叶片能够围绕它们的纵轴线，即所谓的桨距轴线进行调节。通过改变桨距角改变转子叶片的空气动力学功率，据此能够实现在达到标称风力时将功率限制到标称功率。
为此已知的是，设有所谓的转速闭环控制器，如其在图3中示意性地示出的那样，以便大致遵守期望转速NSoll。转速闭环控制器200构成为用于，尽可能调节作为参考变量的期望转速NSoll，其中反馈由风能设施100测量到的实际转速NIst并且将偏差例如借助于P-调节器210和D-调节器220转换为要设定的桨距速率。在其它调节器中也可设想与P调节器210和D调节器220不同的调节机构。桨距速率被桨距速率限制器230限制到期望桨距速率240，然后将该期望桨距速率用于运行风能设施100。在这种情况下，期望桨距速率240是用于设定转子状态变量的期望值。
作为差分元件250的结果，获得所测量到的实际转速NIst与期望转速NSoll的偏差并且将其称为第一控制误差252。与至今的转速闭环控制器不同，该第一控制误差252在加法元件270中用储备值262进行校正，使得产生第二控制误差272。
该第二控制误差272然后用于确定用于设定转子状态变量的期望值，在该示例中为期望桨距速率240。
储备值262由储备值确定单元260确定，所述储备值确定单元例如同样能够构成为设施控制装置103的一部分。为了简化视图，在图3中省去储备值确定单元260的输入接口。
因此，在图3的示例中，储备值262的纳入在转速闭环控制200中已经在非常特定的部位处示出，即在此在P-调节器210或D-调节器220之前借助于加法元件270纳入储备值262。但是，本发明不限于此，并且储备值262能够在转速闭环控制200的任何部位处纳入。
因此，在另一示例中，能够仅在这两个调节机构之一即P-调节器210或D-调节器220之前或之后将储备值262纳入。在其它实施方案中也能够在相应地设计储备值262的情况下在桨距速率限制器230之前或之后纳入储备值262，即也直接针对要设定的转子状态变量如期望桨距速率240。
图4示意性和示例性地示出储备值确定单元260的细节。储备值确定单元260包括目标功率确定单元270和滤波单元280，并且将储备值262例如提供给转速闭环控制器200，以校正控制误差。
目标功率确定单元270确定目标功率PZiel，在步骤278中从该目标功率中减去瞬时功率PSoll。作为结果获得未经滤波的储备功率，称为Pdefizit。瞬时功率是实际功率，例如发电机的气隙功率、在变压器处的功率或位于其间的功率值，或者是功率闭环控制的当前期望值。决定性的是，瞬时功率与目标功率具有相同的参考点。
目标功率确定单元270将本示例中的目标功率PZiel确定为三个可行的目标功率PZiel,BKK、PMax,aktuell和PMax,SB中的最小值。
第一目标功率PZiel,BKK在计算单元274中例如从期望转速NSoll中根据运行特性曲线、尤其是转速-功率特性曲线来获得。在此要注意的是，通常使用实际转速，以便从运行特性曲线中推导出功率。因此不常见的是，将期望转速NSoll与运行特性曲线结合，但是这恰好根据本发明提供了所获得的目标功率PZiel,BKK的优点。在其它实施方案中，第一目标功率PZiel,BKK也能够基于载荷限制如例如发电机、空气动力学、负荷等的结构性载荷限制等来给定。在某些情况下，第一目标功率也能够高于风能设施的标称功率，例如如果在低温下也能够实现比标称功率更高的发电机功率，而不会损坏发电机。
第二目标功率PMax,aktuell为电网侧的功率限制允许的最大功率或最大力矩。该值例如能够由电网运营商提供给风能设施100。尤其为了网络稳定，在此可能需要的是，风能设施100不允许产生在给定的风况下能够产生的最大可行的功率。
最终，第三目标功率PMax,SB是来自风能设施的特殊运行、尤其是发电机干燥运行和/或风暴闭环控制运行的最大功率或最大力矩。由此能够防止：根据本发明提供储备值262损害或者甚至抵消在特殊运行中的运行。
可选地，借助于滤波单元280对未滤波的储备功率Pdefizit进行滤波。为此，滤波器单元280能够以所示出的顺序或任意其它顺序包含调零器282、削弱器284和限制器286中的一个、多个或全部。
如果储备功率Pdefizit小于0，即为负，和/或转速控制误差，即期望转速NSoll和实际转速NIst的偏差低于预设的阈值，则调零器282将储备功率Pdefizit设定到0。预设的阈值例如能够是每分钟0.5转。
削弱器284根据滤波函数实现储备值的缩放，尤其是削弱。借助这种操作能够削弱在量值上较大的储备值的作用，这例如出于负荷原因是有利的。
限制器286将储备值限制到最大储备值。出于负荷原因，该操作也能够是有利的，因为防止了在量值上过大的储备值。
换言之，如果所述风能设施100尚未在目标功率或目标力矩的情况下运行，则风能设施100的储备值262能够实现利用所述差值作为附加的加速功率，以便能够更快地加速。原则上，这因此能够表达为：闭环控制风能设施100所吸收的全部空气动力学功率，使得也指的是Paero闭环控制。
与经滤波的储备功率一样，未滤波的储备功率Pdefizit是储备值262的示例，其中用力矩而不是功率进行类似的确定同样是有利地可行的。
图5示意性地和示例性地示出用于风能设施100的另一闭环控制器结构300，如例如在图1中示出的那样。闭环控制器结构300构成为级联式调节并且具有外部闭环控制回路310和内部闭环控制回路350。闭环控制器结构300将风能设施中的转速闭环控制到期望值NSoll。为此，外部闭环控制回路310将实际转速NIst与要调节的期望转速NSoll进行比较，并且借助于P-调节器320的通过限制器330限制的信号生成转子加速功率PBeschleu_Soll的期望值340。在该示例中，转子加速功率PBeschleu_Soll是转子的第一控制误差，所述第一控制误差借助于储备值262如在图3和图4中描述的那样被校正。
内部闭环控制回路350现在调节到转子加速功率PBeschleu并且尝试：设置风能设施100的转子叶片，使得转子106尽可能少地加速或者转子106利用储备值进行加速。为此，借助于计算单元380例如根据转子转速的随时间的变化dNIst/dt来确定实际加速功率PBeschleu。
在加速功率PBeschleu_Soll的借助储备值262进行校正的期望值340与所确定的实际值PBeschleu之间的差异例如通过P-调节器360被换算为转子叶片108的要设定的桨距速率或要设定的叶片角。如已经详述的，桨距速率或要设定的叶片角当然只是用于转子叶片的转子状态变量的示例。
通过限制器370能够限制要设定的桨距速率或要设定的桨距角，然后将所述桨距速率或桨距角作为期望值390传送给风能设施100的控制装置。
在该示例中，计算单元380使用在对于转子已知的惯性力矩J、扭矩M和转速或从中推导出的角速度ω之间的已知的物理关系，以便从转速变化中计算实际加速功率PBeschleu。
代替转子加速功率，如其在实施例中描述的那样，也可行的是，使用由转子吸收的全部空气动力学功率，意即在附加地考虑由发电机吸收的功率情况下如此。在许多情况下，转子加速功率的一个优点是：所述变量通常已经供在风能设施100的控制装置中使用的风力估计器支配，意即不需要进一步调整风能设施100的控制。因此，仅仅通过根据本发明的闭环控制器结构300替换已知的转速闭环控制器就足够了。参考图7描述了风力估计器500的一个示例。
替选于功率，示例性地呈现的闭环控制器结构300也能够借助力矩或对时间求导的转速来实施。除了当前转速一并包含到加速功率中的方面之外，这些解决方案是相同的。然而众所周知的是，如何将功率换算为力矩，并且反之亦然。
内部闭环控制回路350本身会随着时间引起严重的转速误差，使得明显更慢和更迟缓地反应的外部闭环控制回路310生成用于加速功率的期望值，所述期望值可能会偏离于0kW。如果例如出现超转速情况，意即实际转速NIst大于期望转速NSoll，则期望值340例如为200kW。在这种情况下，内部闭环控制回路350将调节大约-200kW的转子加速功率PBeschleu，使得转子106因此降低转速。
最终，加速功率PBeschleu在部位402处以由校正装置400提供的校正值来校正，以便获得加速功率
Figure BDA0003651956290000141
的校正值--能够类似地应用于力矩。参照图6描述校正装置400。
通过限制器330或370限制转速闭环控制器的输出能够实现限制最大加速功率，这同样起到减轻负荷的作用。
特别有利地，在图5中示意性示出的闭环控制器结构300因此能够以与内部闭环控制回路350并联设置的初步控制装置来补充。初步控制装置例如能够对即将到来的阵风进行初步控制，进而除了闭环控制之外主动地干预桨距角操控。由此能够避免特别有效地发生的极端负荷，如其例如由强阵风引起的。
总之，闭环控制器结构300构成为用于将转速闭环控制到转速期望值NSoll。内部闭环控制回路350获得由转子106吸收的空气动力学功率或加速功率，或者也仅将转子加速简化为控制变量，其中桨距速率或替选地还有期望转子叶片角度或其它转子状态变量用作为作用变量。外部闭环控制回路310闭环控制作为控制变量的转子转速N，其中生成空气动力学功率的、加速功率的或者还有期望转子加速的期望值作为用于内部闭环控制回路350的作用变量。
在图5的示例中也示出在转速闭环控制300中在非常特定的部位处已经将储备值262纳入。也关于转速闭环控制300的该实施方案明确指出：储备值262的纳入不限于所示出的形式，并且能够在转速闭环控制300的任意部位处类似于转速闭环控制200将储备值262纳入。
图6示出校正装置400，所述校正装置在图5的内部闭环控制回路350中在部位402处对加转速功率PBeschleu的校正值进行积分。结果因此是加速功率PBeschleu的校正值402，其中该方法同样类似地适用于力矩。
校正值402在物理上对应于源自风能设施100的塔的振动的空气动力学功率，称为空气动力学塔振动功率PAT。为了该目的，借助于计算单元410计算视在风功率Pscheinbar和纯风功率Pwind，例如借助于以下公式计算：
Pscheinbar＝0，5*ρ*A*cP*(vw+vTK)3 (1)
Figure BDA0003651956290000142
PAT＝Pscheinbar-Pwind (3)
风能设施的最初由参数单元420提供的参数，如空气密度ρ和转子面积A用作为计算单元410的输入变量。塔顶转速估计430提供塔顶速度vTK。所述塔顶速度例如经由固定在塔顶中或吊舱上的加速度传感器来确定。其它用于估计塔顶速度的方法，例如经由设置在塔底或塔中的应变仪也是已知的。
最终，通过风力估计器500提供不受塔顶速度影响的风速vW。稍后参考图7详细描述风力估计器500。代替风力估计器500，其它方法也适用于提供风速vW，例如基于风速计或类似的测量装置的方法。由风力估计器500提供的风速vW在不受塔顶速度影响的情况下直接确定，或者替选地随后从风速vW中计算出塔顶速度vTK。
计算单元410然后从风速vW和塔顶速度vTK之间的差来确定视在风功率Pscheinbar。附加地，纯风功率Pwind仅从风速vW中确定。
然后由计算单元410将两个功率的差形成为空气动力学的塔振动功率PAT。空气动力学的塔振动功率PAT 412被传送给乘法器440，所述乘法器根据倍乘因子实现PAT补偿(倍乘因子等于1)或PAT过度补偿(修正因子大于1，优选位于1和4之间)。PAT补偿是纯的干扰变量解耦，而在PAT过度补偿时进行PAT的衰减。
因此，减小了乘法器440的输出的加速功率
Figure BDA0003651956290000151
作为控制变量输送给内部闭环控制回路530。
计算单元410和其它单元420、430、500能够集成到与计算单元380相同的计算装置中。例如，风能设施100的中央计算机能够承担所有功能。替选地，一个、多个或所有功能能够分布到多个计算单元上。同样也能够可行地是，在远离风能设施100设置的装置上部分地或者甚至完全地执行计算。例如，服务器或类似的结构能够适用于此。
图7示意性地和示例性地示出风力估计器500。风力估计器500处理不同的输入变量，以便获得转子有效风速510。
首先，风力估计器500获得空气密度501、cP特性曲线图502和转子叶片503的当前的叶片角度。
转速504、转子惯性505和电功率506作为其它参数进入风力估计器500中。转速504以及转子惯性505被换算为用于加速512的功率分量并且与气隙力矩514组合成转子的空气动力学功率518，所述气隙力矩514借助于效率模型516从电功率506中推导出。

Claims (26)

1.一种用于控制风能设施(100)的方法，其中所述风能设施(100)具有：空气动力学转子(106)，所述空气动力学转子以可变的转速运行；和转子叶片(108)，所述转子叶片在其叶片角度方面可调节，其中所述风能设施(100)在至少一个运行范围中通过转速闭环控制来闭环控制，其中通过调节所述转子叶片(108)的转子状态变量将转速闭环控制到转速期望值，称作期望转速，其中
所述转速闭环控制包括使用储备值，以用于设定所述转子状态变量，其中
对于下述情况从所述风能设施的目标功率或目标力矩与所述风能设施的瞬时功率或瞬时力矩的比较中获得所述储备值：所述风能设施尚未在所述目标功率或所述目标力矩的情况下运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述转速闭环控制进行为，使得
-从预设的期望转速与所检测到的实际转速的比较中确定所述转子的第一控制误差，
-借助所述储备值校正所述第一控制误差，以便获得第二控制误差，和
-从所述第二控制误差中确定桨距角或桨距速率作为用于设定所述转子状态变量的期望值。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中将所述目标功率或所述目标力矩确定为以下值中的最小值：
-所述风能设施的最大功率或最大力矩，
-允许电网侧的功率限制的最大功率或最大力矩，和
-来自所述风能设施的特殊运行中的最大功率或最大力矩，尤其是发电机干燥运行和/或风暴闭环控制运行中的最大功率或最大力矩。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在将所述储备值纳入到所述转速闭环控制中之前，对所述储备值执行以下操作中的至少一个、优选多个、和特别优选所有操作：
-对于所述期望转速与所检测到的实际转速的偏差低于阈值的情况，将所述储备值置零；
-对于所述储备值为负的情况，将所述储备值置零；
-根据滤波函数对所述储备值进行缩放，尤其是削弱；
-将所述储备值限制到最大储备值。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中在借助所述储备值进行校正之前，所述第一控制误差借助于至少一个控制误差极限值被限制到允许的控制误差范围。
6.根据权利要求5所述的方法，其中至少一个所述控制误差极限值是可设定的和/或提供具有不同的值的控制误差上限值和下限值作为至少一个所述控制误差极限值。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中基于转速变化、转速加速、转速变化的函数和/或转速加速的函数来确定所述第一控制误差。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述转速闭环控制具有包含第一调节器的外级联和包含第二调节器的内级联，其中所述第二调节器尤其包含借助所述储备值校正的控制误差作为参考变量。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二调节器的所述控制误差包括所述转子的加速度期望值。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，其中
-所述第一控制误差包括第一加速度期望值，而所述第二控制误差包括第二加速度期望值，和
-将所述第二加速度期望值与所述转子的加速度实际值进行比较，以便将桨距角或桨距速率确定为用于设定所述转子状态变量的期望值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中
-所述第一加速度期望值、所述第二加速度期望值和所述加速度实际值分别构成为加速功率和/或加速力矩，其中
-所述加速功率与转子加速相关联并且描述需要引起所述转子加速的功率，和/或
-所述加速力矩与转子加速相关联，并且描述需要引起所述转子加速的力矩。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中所述内级联，尤其是所述第二调节器，为了确定用于设定所述转子状态变量的作用变量或所述作用变量而具有：
-带有积分器限制的积分元件，和可选地
-所述积分器限制是可设定的，和/或
-具有不同的上限值和下限值。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中至所述第二调节器的反馈信号包括由所述转子(106)吸收的空气动力学功率，
其中由所述转子(106)吸收的空气动力学功率包括转子加速功率和由所述风能设施(100)的另一组件吸收的至少一个功率，尤其是所述风能设施(100)的发电机的发电机功率之和，
其中所述转子加速功率描述了由所述风能设施(100)的所述转子(106)吸收的功率的被转换为所述转子(106)的加速度的部分。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法还具有：
-确定空气动力学的塔振动功率或空气动力学的塔振动力矩，
-利用所述空气动力学的塔振动功率或所述空气动力学的塔振动力矩来校正所述转子加速功率。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，确定所述空气动力学的塔振动功率或所述空气动力学的塔振动力矩包括：
-确定在所述风能设施的区域中的绝对风速，
-根据所述绝对风速确定在所述转子上的纯风功率，
-根据所述塔顶和/或所述吊舱的速度来确定在所述转子上的视在风功率或视在风力矩；
-根据所述视在风功率和所述纯风功率之差来确定所述空气动力学的塔振动功率或所述空气动力学的塔振动力矩。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述绝对风速不受所述塔顶的速度影响并且对应于在所述风能设施(100)的区域中确定的风速减去所述风能设施的塔顶和/或吊舱的速度。
17.根据上述权利要求15或16所述的方法，其中所述转子的所述功率或所述力矩以与一个因子相乘的空气动力学的塔振动功率或塔振动力矩来校正，其中倍乘因子位于0.5和5之间，优选位于1和4之间。
18.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述转速闭环控制构成为用于，在所述部分负荷范围的至少一个可预设的转速范围中和/或在从所述部分负荷范围到满负荷范围的过渡范围中借助将转速功率闭环控制和桨距闭环控制叠加将所述风能设施闭环控制到所述转速期望值，其中
在所述桨距闭环控制的情况下，通过调节所述转子状态变量，尤其是调节桨距角，将所述转速闭环控制到所述转速期望值，并且其中
在所述转速功率闭环控制的情况下，通过调节要设定的发电机状态变量，尤其是发电机功率或发电机力矩，闭环控制所述转速。
19.根据权利要求18所述的方法，其中
在所述部分负荷范围中的所述过渡范围位于上部的转速范围中，其特征在于自过渡转速开始的转速，其中所述上部的转速范围尤其位于转速回避范围之上，其中
所述风能设施的特征在于标称转速，并且所述过渡转速为所述桨距闭环控制的所述标称转速和/或期望转速的至少80％，尤其是至少85％。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中
对于所述转速功率闭环控制，所述转速期望值经由过渡转速特性曲线来预设，所述过渡转速特性曲线形成转速特性曲线或所述转速特性曲线，其中
对于具有对应于所述过渡转速的转速值的转速，所述过渡转速特性曲线垂直地伸展，使得随着发电机状态变量升高，所述转速是恒定的，直至所述发电机状态变量达到预定的第一发电机参考值，所述第一发电机参考值低于所述发电机状态变量的标称值，和/或所述过渡转速特性曲线自所述过渡转速起和/或自所述第一发电机参考值起具有正斜率，使得所述发电机状态变量的值随着转速增大而增大，直至达到所述发电机状态变量的标称值。
21.根据上述权利要求18至20中任一项所述的方法，其中
所述第二控制误差从所述转速功率闭环控制传递给所述桨距闭环控制，并且所述转速功率闭环控制和所述桨距闭环控制至少部分地并行工作并且经由所述第二控制误差相互协调，和/或根据所述第二控制误差在所述转速功率闭环控制和所述桨距闭环控制之间进行切换或过渡。
22.根据上述权利要求18至21中任一项所述的方法，其中
所述转速功率闭环控制优先于所述桨距闭环控制，尤其是使得只要所述转速功率闭环控制没有达到作用变量限制，则全部或部分地抑制所述桨距闭环控制，和/或所述桨距闭环控制附加地根据所述转子的加速度实际值来控制所述转速，并且在所述转速功率闭环控制时所述发电机期望值在发电机期望值极限之下越远，则通过所述桨距闭环控制抑制所述转速的闭环控制越多。
23.一种用于风能设施(100)的闭环控制器结构，其中所述风能设施(100)具有空气动力学转子(106)，所述空气动力学转子以可变的转速运行，并且具有在其叶片角度方面可调节的转子叶片(108)，其中所述风能设施(100)在至少一个运行范围中通过转速闭环控制被闭环控制，其中通过调节所述转子叶片(108)的转子状态变量将所述转速闭环控制到所述转速期望值，称为期望转速，其中
所述闭环控制器结构构成为用于，为了设定所述转子状态变量包括使用储备值，其中
对于以下情况从所述风能设施的目标功率或目标力矩与所述风能设施的瞬时功率或瞬时力矩的比较中获得所述储备值：所述风能设施尚未在所述目标功率或所述目标力矩的情况下运行。
24.根据权利要求23所述的闭环控制器结构，其中所述闭环控制器结构构成为用于，使得
-从预设的期望转速与所检测到的实际转速的比较中确定所述转子的第一控制误差，
-借助所述储备值校正所述第一控制误差，以便获得第二控制误差，和
-从所述第二控制误差中确定桨距角或桨距速率作为用于设定所述转子状态变量的期望值。
25.一种风能设施(100)，所述风能设施具有根据权利要求23或24所述的闭环控制器结构。
26.一种风电场，所述风电场具有多个根据权利要求25所述的风能设施。
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