运行风能设备的方法、运行风能设备的控制设备、风电场
阅读说明：本技术 运行风能设备的方法、运行风能设备的控制设备、风电场 (Method for operating a wind energy installation, control device for operating a wind energy installation, wind farm ) 是由 斯特凡妮·博特 阿尔琼·布吕克 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：一种运行具有转子的第一风能设备的方法,转子具有能以桨距角调节的转子叶片,第一风能设备产生电功率,在至少一个尾流风向的情况下,在第一风能设备的尾流中存在第二风能设备,方法包括步骤：在不受尾流影响的正常运行中,以第一桨距特征曲线运行第一风能设备；以及在受尾流影响的尾流运行中,以第二桨距特征曲线运行第一风能设备,其中与电功率相关地,第一桨距特征曲线代表桨距角的第一变化曲线,而第二桨距特征曲线代表桨距角的第二变化曲线,对于电功率的至少一个范围,第二桨距特征曲线的桨距角大于第一桨距特征曲线的桨距角。方法在遵守辅助条件如遵守最大推力系数或影响尾流的湍流强度的情况下致力于第二风能设备的年能源产量最大化。(A method of operating a first wind power plant having a rotor with rotor blades adjustable with a pitch angle, the first wind power plant generating electrical power, in the case of at least one wake direction, a second wind power plant being present in the wake of the first wind power plant, the method comprising the steps of: in normal operation, which is not influenced by the wake, the first wind power installation is operated with a first pitch characteristic curve; and operating the first wind energy plant in a wake operation affected by the wake with a second pitch characteristic curve, wherein in relation to the electrical power the first pitch characteristic curve represents a first change of the pitch angle and the second pitch characteristic curve represents a second change of the pitch angle, the pitch angle of the second pitch characteristic curve being larger than the pitch angle of the first pitch characteristic curve for at least one range of electrical power. The method aims at maximizing the annual energy production of the second wind energy plant while observing auxiliary conditions, such as observing a maximum thrust coefficient or influencing the turbulence intensity of the wake.)
技术领域
本发明涉及用于运行风能设备的方法，在至少一个尾流风向的情况下，在所述风能设备的尾流中，存在第二风能设备；用于运行风能设备的控制设备；以及具有第一风能设备和第二风能设备的风电场。
背景技术
风能设备原则上是已知的，风能设备从风中产生电功率。风能设备通常涉及水平轴线风能设备，其中转子轴线基本上水平取向并且转子叶片掠过基本上竖直的转子面。除了在吊舱处设置的转子之外，风能设备通常还包括塔，在塔上围绕基本上竖直取向的轴线可旋转地设置有具有转子的吊舱。转子通常包括三个转子叶片。转子叶片是细长的构件，其通常由纤维增强塑料制造。
风能设备现在通常不单独建造，而是与至少一个另外的风能设备、尤其与多个风能设备以复合结构建造。风能设备的这种聚集也称为风电场。风电场的风能设备可能相互影响。这例如是如下情况：一个风能设备由另一风能设备空气动力学地遮挡。
如果位于背风面(Lee)中的风能设备处于位于迎风面(Luv)中的风能设备的风阴影中，则实现空气动力学的遮挡。这种风阴影也称为尾迹(Wake)或尾流(Nachlauf)。处于尾流中的风能设备通常不提供对于特定的风速常见的功率。通常也出现，处于尾流中的风能设备不达到其额定功率，或不能达到其额定功率或相对于不受干扰的风速更晚地才达到其额定功率。
因此，风电场的功率应在考虑风能设备的个体功率的情况下确定，其中应考虑尾流效应。由此，目的通常不是将各个风能设备单独在其功率方面进行优化，而是对这种风电场进行优化。因此，所基于的优化问题首要应使风电场的功率最大化。
在这种最大化问题中，要考虑一系列的边界条件，其中尤其要考虑一个风能设备在另一个风能设备的尾流中由于湍流增大而增加的负荷。尤其要考虑在多个风能设备处出现的负荷，使得这些负荷不超过最大设计负荷。
发明内容
因此，本发明的目的是，提出用于运行风能设备的方法、用于运行风能设备的控制设备、以及具有第一风能设备和第二风能设备的风电场，所述方法、控制设备和风电场减少或消除一个或多个所提及的缺点。本发明的目的尤其是，提出一种改进风电场的电功率的解决方案。
根据第一方面，开头提到的目的通过用于运行具有转子的第一风能设备的方法来实现，所述转子具有能够以桨距角调节的转子叶片，所述第一风能设备产生电功率并且在其尾流中，在至少一个尾流风向的情况下，存在第二风能设备，所述方法包括如下步骤：在基本上不受尾流影响的正常运行中以第一桨距特征曲线运行第一风能设备，以及在受尾流影响的尾流运行中以第二桨距特征曲线运行第一风能设备，其中第一桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第一变化曲线，并且第二桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第二变化曲线，其中对于电功率的至少一个范围，第二桨距特征曲线的桨距角大于第一桨距特征曲线的桨距角。
因此，本发明申请的特别的认知在于，不将处于尾流中的风能设备以与至今的策略不同的方式运行，而是恰恰将引起尾流的风能设备以与至今的策略不同的方式运行。因此，所述方法能够尤其在遵守辅助条件如遵守最大推力系数或影响尾流的湍流强度的情况下实现第二风能设备的年能源产量的最大化。
如果风从至少一个尾流风向吹来，则第二风能设备处于第一风能设备的尾流中。尾流风向优选地定义为风向范围、例如包含大约15度的风向范围，其中所述风向范围可以取决于所使用的模型。尾流尤其通过如下表征：第二风能设备空气动力学地受到第一风能设备影响、尤其遮挡。
因此，如果风从至少一个尾流风向吹来，则第二风能设备处于第一风能设备的尾流中。如果第二风能设备处于第一风能设备的尾流中，则与不受到第一风能设备影响的流情况相比，第二风能设备处的空气动力学条件改变。如果第二风能设备基本上不处于第一风能设备的尾流中，则所述状态称为不受尾流影响(nachlauffrei)。如果第二风能设备处于第一风能设备的尾流中，则所述状态称为受尾流影响(nachlaufbelastet)。
在基本上不受尾流影响的正常运行中以第一桨距特征曲线运行第一风能设备。如果第二风能设备受尾流影响，即处于第一风能设备的尾流中，则在尾流运行中以第二桨距特征曲线运行第一风能设备。
第一桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第一变化曲线。优选地，桨距特征曲线对于电功率的每个值包括定义的桨距角。与此类似地，第二桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第二变化曲线。因此，第二桨距特征曲线类似于第一桨距特征曲线将每个电功率与定义的桨距角关联。所述关联优选地对于电功率的定义的跨度被确定，尤其对于例如在0kW和额定功率之间的可以在风能设备的运行中出现的每个电功率被确定。
优选地，第一桨距特征曲线和第二桨距特征曲线直至电功率的第一功率阈值基本上相互一致，并且对于超过第一功率阈值的电功率，第二桨距特征曲线的桨距角大于第一桨距特征曲线的桨距角。
因此，优选地直至电功率的第一功率阈值，第一桨距特征曲线和第二桨距特征曲线基本上相互一致。相互一致尤其意味着，对于低于功率阈值的基本上任意的电功率，第一桨距特征曲线的桨距角和第二桨距特征曲线的桨距角是基本上相同的。在其他实施方案中，第一桨距特征曲线和第二桨距特征曲线也可以在全部范围内是彼此不同的。
基本上相互一致尤其意味着，对于定义的电功率，桨距角彼此相差第一桨距特征曲线和第二桨距特征曲线的小于30％、20％或10％。这与现今在一些风电场中使用的实践相反，所述实践通常提出，桨距角在受尾流影响的尾流运行中总体上明显增加，以便降低涡流引起的负荷。例如桨距角总地设置为5°、6°或6.5°和/或增加大于2°、3°或4°。然而，由此在低于第一功率阈值的范围内，不会不必要地减小风能设备的功率从而不会不必要地减小风电场的功率。
此外，因此如果第一风能设备的电功率超过第一功率阈值，则优选地提出，第二桨距特征曲线的桨距角大于第一桨距特征曲线的桨距角。这意味着，对于大于第一功率阈值的特定的电功率，处于受尾流影响的尾流运行中的桨距角大于待设定的处于不受尾流影响的正常运行中的桨距角。如果第二风能设备例如基本上不受尾流影响，则以第一桨距特征曲线运行第一风能设备。在此，例如可以在1500kW的功率下设定2°的桨距角，其中这当然与风能设备的额定功率和其他设计参数相关。
然而，如果第二风能设备处于第一风能设备的尾流中，则以第二桨距特征曲线运行第一风能设备。在这种情况下，对于相同的示例性的风能设备，例如在1500kW的功率下设定大约4°的桨距角。从中明显的是，在超过第一功率阈值的电功率下，第二桨距特征曲线的桨距角大于第一桨距特征曲线的桨距角。
由此考虑，从特定的电功率起和/或从特定的风速起，通过处于迎风面中的第一风能设备引起的在第二风能设备上游的湍流是强烈的，使得在第一风能设备的常规运行时需要对第二风能设备进行调节。这通过第二桨距特征曲线考虑。在较低的电功率和/或较低的风速的范围内，通常不需要这种调节，因为在第二风能设备处出现的湍流通常不超过最大允许的设计湍流。
所述方法的一种优选的实施变型方案提出，对于小于第一功率阈值的电功率，第一桨距特征曲线的桨距角和第二桨距特征曲线的桨距角是基本上相同的，和/或其中直至超过第一功率阈值，第一桨距特征曲线的变化曲线和/或第二桨距特征曲线的变化曲线基本上不具有斜率。
例如，在低于第一功率阈值的范围内，第一桨距特征曲线对于500kW的电功率定义2°的桨距角。在这种情况下，在低于第一功率阈值的范围内，第二桨距特征曲线对于500kW的电功率同样具有2°的桨距角。
不具有斜率的第一桨距特征曲线的变化曲线的特征尤其在于，即使在电功率增加时，桨距角也基本上保持恒定。桨距角例如可以为2°。相同的情况基本上适用于第二桨距特征曲线。
根据所述方法的另一优选的实施变型方案提出，第一风能设备和/或第二风能设备具有与风速相关的最大允许的推力系数，其中第二桨距特征曲线的桨距角具有这种变化曲线，使得在风能设备处出现的推力系数基本上不超过最大允许的推力系数。所述最大推力系数例如可以来源于受尾流影响的湍流强度。换言之，第二桨距特征曲线具有变化曲线，使得处于迎风面中的风能设备施加的推力系数不高于来自处于背风面中进而受尾流影响的风能设备的湍流强度限制的最大推力系数。
此外优选的是，第二风能设备具有与风速相关的最大允许的湍流强度，其中第二桨距特征曲线的桨距角具有这种变化曲线，使得在风能设备处出现的湍流强度基本上不超过最大允许的湍流强度。
最大允许的湍流强度TImax以IEC标准61400-1确定：
TIWK与风类型相关，所述风类型分为A、B和C类型。TIWK例如可以为0.12、0.14和0.16。对于受尾流影响的风能设备，通过尾流模型例如Jensen,Qian,Porté-Agel的尾流模型计算速度v。所述尾流模型通常需要处于迎风面中的设备的推力系数，所述推力系数例如可以借助于叶片元件动量理论(Blade-Element-Momentum-Theory)(BEM)计算。因此，通常设立作为用于最大化风电场的电功率的边界条件：处于受尾流影响的风能设备处的湍流小于最大允许的湍流TImax。
此外，本发明所基于的认知在于，所述湍流相关的辅助条件等效于受尾流影响的风能设备的推力系数小于最大允许的推力系数。根据模型，应考虑将其他变量用于评估，端速比例如可以包含在不等式中。
所述方法的一个优选的改进方案的特征在于，对于超过第一功率阈值且小于第二功率阈值的电功率，第一桨距特征曲线的桨距角是基本上恒定的，并且第二桨距特征曲线的桨距角增加、优选地连续增加、特别优选地线性增加，其中其他变化曲线也是可能的。
因此，在第一功率阈值与第二功率阈值之间，与电功率无关，第一桨距特征曲线的桨距角是基本上恒定的。在第一功率阈值与第二功率阈值之间，第二桨距特征曲线的桨距角随着电功率增加而增加。
所述方法的另一优选的改进方案的特征在于，对于超过第二功率阈值的电功率，第一桨距特征曲线具有优选地小于第二桨距特征曲线的斜率的正斜率。
在所述优选的改进方案中，第二桨距特征曲线优选地具有桨距角的低于第一功率阈值的第一恒定部段，第一功率阈值与第三功率阈值之间的提升的部段，并且还具有从第三功率阈值起的恒定部段，其中其他变化曲线也是有利的。
此外优选的是，对于超过大于第一功率阈值的第三功率阈值的电功率，第二桨距特征曲线的桨距角是基本上恒定的，并且优选地采用4°-8°之间、尤其6°-7°之间的值。
此外优选的是，第一功率阈值为第一风能设备的额定功率的70％至80％之间。
尤其可以通过桨距角-功率特征曲线中的弯折识别出功率阈值。
根据另一方面，开头提到的目的通过用于运行具有转子的第一风能设备的控制设备来实现，所述转子具有能够以桨距角调节的转子叶片，所述风能设备产生电功率，并且在至少一个尾流风向的情况下，在所述第一风能设备的尾流中，存在第二风能设备，其中控制设备设立用于，在基本上不受尾流影响的正常运行中以第一桨距特征曲线运行第一风能设备以及在受尾流影响的尾流运行中以第二桨距特征曲线运行第一风能设备，其中第一桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第一变化曲线，并且第二桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第二变化曲线，其中对于电功率的至少一个范围，第二桨距特征曲线的桨距角大于第一桨距特征曲线的桨距角。
根据另一方面，开头提到的目的通过具有第一风能设备的风电场来实现，所述风电场具有第一风能设备，所述第一风能设备具有转子，所述转子具有能够以桨距角调节的转子叶片，所述风能设备产生电功率，并且在至少一个尾流风向的情况下，在所述第一风能设备的尾流中，存在第二风能设备，其中风电场构成用于实施根据上述实施变型方案中的一个实施变型方案的方法，和/或包括根据上一方面的控制设备。
对于其他方面及其可行的改进方案的其他优点、实施变型方案和实施细节，也参照上文对于用于运行第一风能设备的方法的相应的特征以及改进方案的描述。
附图说明
优选的实施例示例性地根据附图阐述。附图示出：
图1示出风能设备的示例性实施方式的示意性三维视图；
图2示出风电场的示例性实施方式的示意性视图；
图3示出桨距特征曲线的示意性变化曲线；
图4示出推力系数的示意性变化曲线；
图5示出推力系数的示意性变化曲线；以及
图6示出示意性方法。
具体实施方式
在图中，相同的或基本上功能相同的或功能相似的元件以相同附图标记表示。
图1示出风能设备100的示意性示图。风能设备100具有塔102和塔102上的吊舱104。在吊舱104处设有具有三个转子叶片108和整流罩110的空气动力学的转子106。
空气动力学的转子106在风能设备运行时通过风置于旋转运动中从而也使发电机的电动力学的转子或转子部件旋转，所述电动力学的转子或转子部件直接或间接与空气动力学的转子106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114可以通过相应的转子叶片108的转子叶片根部处的桨距驱动装置116改变。
风能设备100还包括控制设备118，所述控制设备设立用于，在基本上不受尾流影响的正常运行中以第一桨距特征曲线运行风能设备100以及在受尾流影响的尾流运行中以第二桨距特征曲线运行风能设备100。第一桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第一变化曲线，并且第二桨距特征曲线代表桨距角关于电功率的第二变化曲线。直至电功率的第一功率阈值，第一桨距特征曲线和第二桨距特征曲线基本上相互一致。对于超过第一功率阈值的电功率，第二桨距特征曲线的桨距角大于第一桨距特征曲线的桨距角。
图2示出风电场112的示例性实施方式的示意性视图。图2示出具有示例性三个风能设备100a、100b、100c的风电场112。三个风能设备100a、100b、100c代表风电场112的原则上任意数量的风能设备。风能设备100a、100b、100c经由电场电网114提供其电功率、即尤其产生的电流。各个风能设备100a、100b、100c的相应产生的电流或功率累加，并且大多数情况下设有变压器116，所述变压器将电场中的电压升压变换，以便在也一般称为PCC的馈入点118处馈入到供电网120中。图2仅仅是风电场112的简化示图。电场电网114例如可以通过如下方式不同地构造：例如也在每个风能设备100a、100b、100c的出口处存在变压器。
在标出的风向W的情况下，风能设备100b处于风能设备100a的尾流中。在这种情况下，风能设备100a设置在风能设备100b的迎风面中。风能设备100a优选地至少暂时在受尾流影响的尾流运行中运行，在受尾流影响的尾流运行中，在风能设备100a的尾流中，存在风能设备100b。这尤其意味着，第二桨距特征曲线设置用于所述运行。风能设备100c在风向W的情况下同样处于风能设备100a和100b的尾流中。
在不限制一般性的情况下，在下文中，风能设备100a也称为第一风能设备100a并且风能设备100b也称为第二风能设备100b。
图3示出桨距特征曲线的示意性变化曲线。在横坐标上绘制最前方的、也就是说不处于尾流中的风能设备的电功率200。在纵坐标上绘制风能设备100a的桨距角202。如果风能设备100a处于不受尾流影响的正常运行中，即，与风向相关地，风能设备100b、100c中的任何风能设备都不处于风能设备100a的尾流中，则将第一桨距特征曲线用于风能设备100a。即尤其如果风从与在图2中示出的风向W不同的风向吹来，则第一风能设备100a处于不受尾流影响的正常运行中。
同样在图3中设有用于受尾流影响的尾流运行的常规桨距特征曲线206。所述常规桨距特征曲线206提出，只要风能设备处于另一风能设备的尾流中，则桨距角总体上调节到更高的值，以便减小推力系数。
更大的桨距角的所述效果和推力系数的由此引起的减小尤其从图4可见。图4示出在纵坐标上例如以m/s为单位的不受干扰的风速210关于在横坐标上对于不同桨距角变化曲线的推力系数212的变化曲线。在图4的以下更准确描述的图表中，以下示出的桨距角变化曲线代表这种对于更大桨距角的变化曲线。在图4中尤其可见的是，桨距角越大，则推力系数越小。
相对于常规桨距特征曲线206替选地，在图3中示出第二桨距特征曲线208，直至电功率200的第一功率阈值207，第二桨距特征曲线基本上与第一桨距特征曲线204相互一致。对于超过第一功率阈值207的电功率200，第二桨距特征曲线208的桨距角202大于第一桨距特征曲线204的桨距角202。
第一桨距特征曲线204例如可以是典型的桨距特征曲线，所述桨距特征曲线至少从达到额定功率起预设增加的桨距角。在其他情况下，不仅第一桨距特征曲线204而且第二桨距特征曲线208例如可以设有桨距角在部分负荷范围内增加。例如可以提出直至达到额定功率的线性增加以及从达到额定功率起的非线性增加。
用以运行第一风能设备100a的第二桨距特征曲线在风能设备100b的受尾流影响的尾流运行中引起，在低于第一功率阈值207的部分负荷范围内可以产生高的电功率，因为在此推力系数通常是小的或在此允许更大的推力系数。在超过第一功率阈值207的电功率下，进而通常也在对应的风速下，增加第二桨距特征曲线208的桨距角，以便减小推力系数。借此，例如可以充分利用处于尾流中的风能设备100b的还存在的推力储备，即直至最大允许的负荷，这又增加风能设备100b的产出。
图4示出推力系数的示意性变化曲线。在横坐标上例如以m/s为单位绘制风速210。在纵坐标上绘制推力系数212。同样绘制最大允许的推力系数216的变化曲线。在此可见的是，直至一定风速210，最大推力系数216始终大于对于一定桨距值出现的推力系数。也就是说，在所述低风速范围内可以调节近乎任意的桨距角，与最大允许的推力系数无关，使得焦点几乎可以完全放在产生最大的电功率上。然而，在风速增加时，通过功率最优的桨距角设定的推力系数会超过最大推力系数216。在这种情况下，应相应地调整桨距角，使得出现的推力系数基本上不超过最大推力系数。
图5示出图4中的推力系数的所选择的变化曲线。在横坐标上例如以m/s为单位绘制风速并且在纵坐标上绘制推力系数222。推力系数曲线228代表示例性用于如下桨距角的推力系数，所述桨距角对应于图3的桨距特征曲线206。用于第二桨距特征曲线208的推力系数曲线224示出，始终在部分负荷范围内达到更大的推力系数。这通常引起产生更大的电功率。用于第二桨距特征曲线208的推力系数曲线224恰好在部分负荷范围内更靠近最大允许的推力系数226的曲线。
图6示出示意性方法。在步骤300中，分别在不受尾流影响的正常运行中以第一桨距特征曲线204运行第一风能设备100a和第二风能设备100b。在此，因此风能设备100a、100b中的任一风能设备都不处于另一风能设备的遮挡中。尤其风能设备100b基本上不处于风能设备100a的遮挡、即尾流中。如果风现在转动，使得风能设备100b处于风能设备100a的尾流中，则在步骤302中，在受尾流影响的尾流运行中以第二桨距特征曲线208运行第一风能设备100a。
因此，在步骤302中，以第二桨距特征曲线208运行第一风能设备100a。第二桨距特征曲线208代表桨距角关于电功率的第二变化曲线，其中第二桨距特征曲线208优选地直至电功率的第一功率阈值207基本上与第一桨距特征曲线204的变化曲线相互一致，然而在超过第一功率阈值207的情况下，第二桨距特征曲线208的桨距角大于第一桨距特征曲线204的桨距角。
附图标记列表
100a、100b、100c 风能设备
102 塔
104 吊舱
106 转子
108 转子叶片
110 整流罩
112 转子叶片纵向轴线
114 桨距角
116 桨距驱动装置
118 控制设备
200 电功率
202 桨距角
204 第一桨距特征曲线
206 常规桨距特征曲线
207 第一功率阈值
208 第二桨距特征曲线
210 以m/s为单位的风速
212 推力系数
214 用于多个桨距角的推力系数曲线
216 最大允许的推力系数
220 以m/s为单位的风速
222 推力系数
224 用于第二桨距特征曲线208的推力系数曲线
226 最大允许的推力系数
228 用于常规桨距特征曲线206的推力系数曲线
W 风向
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