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DE102011086608A1 - Method for determining operating states of a wind turbine - Google Patents

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DE102011086608A1
DE102011086608A1 DE102011086608A DE102011086608A DE102011086608A1 DE 102011086608 A1 DE102011086608 A1 DE 102011086608A1 DE 102011086608 A DE102011086608 A DE 102011086608A DE 102011086608 A DE102011086608 A DE 102011086608A DE 102011086608 A1 DE102011086608 A1 DE 102011086608A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
wind turbine
rotor
rotor blade
blade
current
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102011086608A
Other languages
German (de)
Inventor
Ingo Ibendorf
Michael Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzlon Energy GmbH
Original Assignee
Suzlon Energy GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzlon Energy GmbH filed Critical Suzlon Energy GmbH
Priority to DE102011086608A priority Critical patent/DE102011086608A1/en
Publication of DE102011086608A1 publication Critical patent/DE102011086608A1/en
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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl des Rotors einer Windturbine und/oder zur Überwachung des Zustandes eines Rotorblattes einer Windturbine mit den Verfahrensschritten: Messen des Stroms wenigstens eines Blattverstellungsmotors einer Windturbine über einen vorgegebenen Zeitraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Rotors über die Feststellung der Periodendauer der Schwingung des Motorenstroms ermittelt wird und die Rotorposition über Nullpunktauswertung und Gradientenauswertung erfolgt und/oder der Zustand des Rotorblattes mit Hilfe einer Zeit- oder Frequenzanalyse des Motorenstroms wenigstens eines Blattverstellungsmotors erfolgt.A method for determining the speed of the rotor of a wind turbine and / or for monitoring the condition of a rotor blade of a wind turbine with the following process steps: measuring the current of at least one blade adjustment motor of a wind turbine over a predetermined period, characterized in that the speed of the rotor is determined by determining the period duration the oscillation of the motor current is determined and the rotor position takes place via zero point evaluation and gradient evaluation and / or the state of the rotor blade is carried out with the aid of a time or frequency analysis of the motor current of at least one blade adjustment motor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen und Überwachen von Betriebszuständen eines Rotors einer Windturbine oder auch eines einzelnen Rotorblatts einer Windturbine.The invention relates to an apparatus and a method for determining and monitoring operating states of a rotor of a wind turbine or of a single rotor blade of a wind turbine.

Unter dem Begriff Betriebszustände, welche erfindungsgemäß bestimmt bzw. überwacht werden, sind zum einen wichtige Betriebskenngrößen, wie etwa die Rotordrehzahl oder die Windgeschwindigkeit und die Erkennung gefährlicher Windböen zu verstehen. Unter dem Begriff Betriebszustände sind im Sinne der Erfindung aber auch andere Zustände zu verstehen, wie zum Beispiel die statische Integrität der Rotorblätter, das Vorhandensein einer Unwucht bezogen auf die Rotorblätter, das Vorhandensein von Vereisungen an einem Rotorblatt oder die Erkennung eines Blattlagers mit erhöhter Reibung aufgrund eines klemmenden Blattlagers.The term operating states, which are determined or monitored according to the invention, on the one hand to understand important operating parameters, such as the rotor speed or the wind speed and the detection of dangerous gusts of wind. The term operating states in the context of the invention, however, also other states to understand, such as the static integrity of the rotor blades, the presence of an imbalance relative to the rotor blades, the presence of icing on a rotor blade or the detection of a sheet bearing with increased friction due a clamping leaf bearing.

Um derartige Betriebszustände zu bestimmen und zu überwachen ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Vielzahl von Sensoren vorzusehen.In order to determine and monitor such operating conditions, it is known from the prior art to provide a plurality of sensors.

Zum Beispiel erfolgt die Rotordrehzahlerfassung gemäß dem derzeitigen Stand der Technik bei einer Windturbine gebergestützt an der langsamen Welle (Getriebeeingangswelle). Die Signalauswertung erfolgt dabei mittels eines Geberrelais (z. B. FR1) bzw. SPS (Turbinensteuerung) und wird zur Rotorüberdrehzahlerkennung verwendet. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass die Erfassung und Auswertung der Rotordrehzahl außerhalb des Rotors erfolgen muss. Bei einem gleichzeitigen Verlust der Kommunikation zum Pitchsystem und anstehender Überdrehzahl kann die Anlage nicht mehr auf den das System gefährdenden Zustand reagieren.For example, in accordance with the current state of the art, rotor speed detection in a wind turbine is sensor-assisted on the slow shaft (transmission input shaft). The signal evaluation is carried out by means of an encoder relay (eg FR1) or PLC (turbine control) and is used for rotor overspeed detection. A disadvantage of this method is that the detection and evaluation of the rotor speed must be outside the rotor. In the event of a simultaneous loss of communication with the pitch system and the overspeed involved, the system can no longer respond to the system's hazardous condition.

Um die statische Integrität der Rotorblätter zu bestimmen und zu überwachen sind gemäß dem Stand der Technik Sensoren, wie zum Beispiel Beschleunigungssensoren notwendig, um Beschädigungen, Risse usw. in den Rotorblättern zu detektieren.In order to determine and monitor the static integrity of the rotor blades, according to the prior art, sensors, such as acceleration sensors, are necessary to detect damage, cracks, etc. in the rotor blades.

Auch die Unwucht oder das Vorhandensein von Eis auf den Rotorblättern muss gemäß dem Stand der Technik mit bestimmten Sensoren festgestellt werden.Also, the imbalance or the presence of ice on the rotor blades must be determined according to the prior art with certain sensors.

Ebenso wird gemäß dem Stand der Technik die Variation von Strömungsverhältnissen der einzelnen Rotorblätter mit bestimmten Sensoren aufgenommen um ggf. über die Verstellung der Rotorblätter ein besseres Anströmverhalten zu erzeugen.Likewise, according to the prior art, the variation of flow conditions of the individual rotor blades is recorded with certain sensors in order, if necessary, to generate a better flow behavior via the adjustment of the rotor blades.

Ein Nachteil bei den Lösungen gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass eine Vielzahl von Sensoren notwendig ist, um die einzelnen Betriebszustände zu erfassen. Auch müssen die Signale dieser Sensoren meist zu einer zentralen Steuereinheit weitergeleitet werden, welche oft im Maschinenhaus einer Windturbine angeordnet ist. Hierdurch kann es aufgrund der Signalübertragung zwischen festen und beweglichen Teilen zu Übertragungsfehlern kommen.A disadvantage of the prior art solutions is that a plurality of sensors is necessary to detect the individual operating conditions. Also, the signals of these sensors usually have to be forwarded to a central control unit, which is often arranged in the nacelle of a wind turbine. This can lead to transmission errors due to the signal transmission between fixed and moving parts.

Ziel der Erfindung besteht demnach darin, die genannten Probleme aus dem Stand der Technik zu verringern und gleichzeitig die Kosten für die Bestimmung und Überwachung der Betriebszustände zu reduzieren.The aim of the invention is therefore to reduce the mentioned problems of the prior art and at the same time to reduce the costs for the determination and monitoring of the operating conditions.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, dass das Bestimmen und Überwachen der Betriebszustände mit Hilfe einer Auswertung und Analyse des Motorenstroms eines oder mehrerer Blattverstellungsmotoren erfolgt.According to the invention, this object is achieved by determining and monitoring the operating states with the aid of an evaluation and analysis of the motor current of one or more pitch-adjusting motors.

Die Blattverstellungsmotoren von Windturbinen gemäß dem Stand der Technik dienen einerseits dazu, den Blattwinkel so einzustellen, dass im Betriebszustand ein möglichst effektiver Anströmwinkel gefahren wird. Andererseits dienen die Blattverstellungsmotoren auch dazu, den zu einem gewissen Zeitpunkt eingestellten Blattwinkel konstant zu halten, damit sich die Rotorblätter nicht unbeabsichtigt in Richtung der Fahnenstellung verdrehen.The blade displacement motors of wind turbines according to the prior art serve on the one hand to adjust the blade angle so that the most effective angle of attack is driven in the operating state. On the other hand, the blade displacement motors also serve to keep the blade angle set at a certain time constant, so that the rotor blades do not rotate unintentionally in the direction of the flag position.

Der hier beschriebene Antrieb kann mit Wechselstrommotoren mit Wechselrichter und auch mit Gleichstrommotoren und Stromrichter ausgeführt werden.The drive described here can be implemented with AC motors with inverters and also with DC motors and converters.

Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass das Blattmoment von dem Drehwinkel des Rotorblattes abhängig ist. Das Blattmoment ist das Moment, welches auf jedes Rotorblatt wirkt und ohne ein vom Blattverstellungsmotor aufgebrachtes, in entgegen gesetzter Richtung wirkendes Moment eine Veränderung des Blatteinstellwinkels bewirken würde. Dementsprechend sind auch das Moment des Blattverstellungsmotors und damit auch der Motorstrom vom Drehwinkel abhängig. Dies hat zur Folge, dass entsprechend des sich periodisch zum Drehwinkel verändernden Blattmoments sich auch das notwendige Haltemoment durch den Blattverstellmotor und damit der Motorstrom periodisch und weitestgehend proportional zum Drehwinkel ändert.Surprisingly, it has been shown that the blade moment is dependent on the angle of rotation of the rotor blade. The leaf moment is the moment acting on each rotor blade and causing a change in the blade pitch without a torque applied by the blade timing motor in the opposite direction. Accordingly, the moment of the blade adjustment motor and thus also the motor current are dependent on the angle of rotation. This has the consequence that, in accordance with the periodically changing to the angle of rotation leaf torque and the necessary holding torque by the Blattverstellmotor and thus the motor current changes periodically and largely proportional to the rotation angle.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach dadurch gekennzeichnet, dass Betriebszustände, wie etwa die Rotordrehzahl, mit Hilfe einer Analyse des variierenden Motorstroms eines bzw. mehrerer Blattverstellungsmotoren ermittelt bzw. überwacht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine mit wenigstens einem Blattverstellungsmotor verbundene Steuereinheit dazu ausgebildet ist, einen Betriebszustand, wie etwa die Rotordrehzahl, mit Hilfe des Motorstroms wenigstens eines Blattverstellungsmotors zu ermitteln.The method according to the invention is therefore characterized in that operating states, such as the rotor speed, are determined or monitored by means of an analysis of the varying motor current of one or more blade pitch motors. The device according to the invention is characterized in that a control unit connected to at least one blade pitch motor is adapted to an operating condition, such as about the rotor speed, using the motor current to determine at least one blade pitch motor.

Der ausschlaggebende Punkt dieser Erfindung ist die direkte Erfassung wichtiger Betriebszustände – wie der Rotordrehzahl oder der Rotorposition mit Hilfe des Motorstroms wenigstens eines Blattverstellungsmotors bevorzugt direkt im Rotor. Vorteil dabei ist die erreichbare Präzision der Messung in Verbindung mit der möglichen sehr kurzen Reaktionszeit. Es sind für die Ermittlung der Rotordrehzahl oder der Rotorposition oder der anderen Betriebszustände keine zusätzlichen Geber erforderlich, da die Ströme der Blattverstellmotoren in jeder Windturbine direkt zur Auswertung herangezogen werden. Die Auswertung erfolgt bevorzugt direkt im Rotor.The crucial point of this invention is the direct detection of important operating conditions - such as rotor speed or rotor position by means of the motor current of at least one pitch motor, preferably directly in the rotor. The advantage here is the achievable precision of the measurement in conjunction with the possible very short reaction time. There are no additional encoders required for determining the rotor speed or the rotor position or the other operating states, since the currents of the blade pitch motors in each wind turbine are used directly for the evaluation. The evaluation is preferably carried out directly in the rotor.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Periodendauer des Motorstroms und damit die Rotordrehzahl mit Hilfe eines Peak-Detecting-Verfahrens ermittelt. Die Rotordrehzahl kann dann gemäß einer Ausführungsform direkt zur Steuerung der Windturbine verwendet werden. Allerdings sind auch zahlreiche andere Verfahren zur Bestimmung der Rotordrehzahl aus dem oder den Motorströmen der Blattverstellungsmotoren möglich und gemäß weiterer Ausführungen vorgesehen, wie etwa die Periodendauermessung, die Frequenzzählung, die Nullpunktauswertung, usw.According to one embodiment of the method according to the invention, the period of the motor current and thus the rotor speed are determined by means of a peak detecting method. The rotor speed may then be used directly to control the wind turbine according to one embodiment. However, numerous other methods for determining the rotor speed from the one or more motor currents of the pitch motors are possible and provided according to further embodiments, such as the period measurement, the frequency count, the zero point evaluation, etc.

Für die Rotorpositionsbestimmung wird bevorzugt die Nullpunkterkennung kombiniert mit der Gradientenauswertung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Periodendauer durch die Bestimmung der Sattelpunkte in der Schwingung des Motorstroms ermittelt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Nulldurchgang des Motorenstroms zur Bestimmung der Periodendauer verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kurvenverläufe von wenigsten zwei und besonders bevorzugt die Kurvenverläufe von drei Blattverstellungsmotoren gemeinsam verwendet, um die Rotordrehzahl zu bestimmen.For the rotor position determination, the zero point detection is preferably combined with the gradient evaluation. According to a further embodiment, the period is determined by the determination of the saddle points in the vibration of the motor current. According to a further embodiment, the zero crossing of the motor current is used to determine the period duration. According to a preferred embodiment, the curves of at least two, and more preferably the curves of three pitch motors, are used together to determine the rotor speed.

Die Verwendung mehrerer Kurven zur Bestimmung der Periodendauer und damit der Rotordrehzahl ermöglicht erfindungsgemäß eine sicherere Ermittlung der Drehzahl, da die Kurvenverläufe der einzelnen Blattverstellungsmotoren-Ströme nicht immer ganz harmonisch sind und deshalb die Ermittlung der Drehzahl mit Hilfe nur eines Blattverstellungsmotors unter Umständen zu falschen Ergebnissen führen könnte.The use of multiple curves to determine the period and thus the rotor speed according to the invention allows a safer determination of the speed, since the curves of the individual blade timing motor currents are not always completely harmonious and therefore the determination of the speed with the help of only one blade pitch motor may lead to false results could.

Gemäß einer Variante werden die Ströme der einzelnen Motoren addiert (oder subtrahiert) und aus der entstehenden Kurve wird die Rotordrehzahl ermittelt. Auch können einzelne Stromverläufe hinsichtlich ihrer Spektren verglichen werden oder andere Funktionen zum Vergleich der einzelnen Stromverläufe angewendet werden. Auch andere Verfahren mittels Phasenverschiebung und Mittelwertberechnung sind Teil der Erfindung.According to a variant, the currents of the individual motors are added (or subtracted) and from the resulting curve, the rotor speed is determined. Also, individual current waveforms can be compared in terms of their spectra or other functions can be used to compare the individual current waveforms. Other methods by means of phase shift and mean calculation are part of the invention.

Denkbar ist auch, dass Vergleichs-Stromverläufe oder Vergleichsspektren in einem Speichermittel abgelegt werden, die zur Bewertung bzw. Analyse der realen Stromverläufe oder deren Spektren verwendet werden.It is also conceivable that comparison current profiles or comparison spectra are stored in a memory means, which are used for the evaluation or analysis of the real current waveforms or their spectra.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine kritische Veränderung der Rotordrehzahl der Windturbine schon innerhalb einer Periode, insbesondere auch innerhalb einer Halbperiode festgestellt werden.According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, a critical change in the rotor speed of the wind turbine can already be determined within a period, in particular also within a half-period.

Hierfür werden zunächst die Ströme der bevorzugt drei Blattverstellungsmotoren gemessen. Diese werden dann im zeitlichen Verlauf nach der Formel Ages = A1(t) – A2(t) – A3(t) subtrahiert. In diesem Zusammenhang würde eine Addition genauso funktionieren, da die Subtraktion bekannter Maßen die Umkehrfunktion der Addition ist. In einem nächsten Schritt wird die Ableitung dieser aus den Strömen der drei Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion A(ges) nach der Zeit gemäß der Formel d / dt(A1(t) – A2(t) – A3(t)) gebildet.For this purpose, first the currents of the preferred three blade pitch motors are measured. These are then subtracted over time according to the formula A ges = A 1 (t) -A 2 (t) -A 3 (t). In this context, an addition would work the same way, since the subtraction of known measures is the inverse of the addition. In a next step, the derivative of this function A (ges) formed from the currents of the three pitch motors is time-wise according to the formula d / dt (A 1 (t) - A 2 (t) - A 3 (t)) educated.

Aus einem Vergleich des Wertes dieser Ableitungsfunktion mit dem Wert der Ableitfunktion einer Halbperiode zuvor, welcher zuvor in einem Datenspeicher abgelegt und wieder ausgelesen wurde, kann eine kritische Veränderung der Rotordrehzahl besonders schnell erkannt werden. Dadurch kann beispielsweise eine Erkennung einer Überdrehzahl durch eine Steuereinheit, welche direkt in einem Rotor einer Windturbine angeordnet ist, vorgenommen werden und direkt zur Steuerung der Blattverstellungsmotoren verwendet werden. Mögliche Messfehler und längere Messzeiten, welche mit der Erkennung von Überdrehzahlen in der Hauptsteuereinheit einer Windturbine z. B. durch die Notwendigkeit der Übertragung von Sensorsignalen über Schleifkontakte einhergehen, werden so vermieden.From a comparison of the value of this derivative function with the value of the derivative function of a half-period before, which was previously stored in a data memory and read out again, a critical change in the rotor speed can be detected particularly quickly. As a result, for example, detection of an overspeed by a control unit, which is arranged directly in a rotor of a wind turbine, are made and used directly for controlling the blade pitch motors. Possible measurement errors and longer measurement times, which are associated with the detection of overspeeds in the main control unit of a wind turbine z. B. associated with the need for the transmission of sensor signals via sliding contacts are avoided.

Aus dem Strom eines jeweiligen Blattverstellungsmotors wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung überwacht, ob ein jeweiliges Rotorblatt Risse oder Brüche aufweist. Es hat sich gezeigt, dass Risse oder Brüche in den Rotorblättern dazu führen, dass der periodische Verlauf des Motorenstroms durch während des Auf- und Zuklappens eines Risses entstehende Vibrationen überlagert wird. Diese Vibrationen haben eine charakteristische Wölbung bzw. ein charakteristisches Frequenzspektrum und können aus dem Motorenstrom analysiert werden. Auch Unwucht, Vereisungen an den Rotorblättern und auftretende Strömungsänderungen (zum Beispiel durch den Eintritt eines Rotorblattes in einen durch den Turm induzierten Windschatten) führen zu charakteristischen Vibrationen, die erfindungsgemäß über eine Analyse des Motorenstroms des Blattverstellungsmotors auf einen bestimmten Betriebszustand hindeuten. Ob Unwucht, Vereisung oder Risse – jeder dieser Betriebszustände prägt den periodischen Verlauf der Motorenströme der Blattverstellungsmotoren auf eine ganz spezifische Art und Weise. Die verschiedenen Betriebszustände treten auch charakteristischer Weise jeweils in Bereichen bestimmter Drehwinkel verstärkt auf oder tendieren dazu, sich periodisch in einem charakteristischen Muster zu wiederholen. Gleichzeitig ist die Stärke der durch die unterschiedlichen Betriebszustände erzeugten Veränderungen des bzw. der Motorenströme charakteristisch und so können diese mittels festgelegter Schwellwerte ermittelt werden. Treten bei einem Blattverstellungsmotor maximale Ströme auf, die gegenüber dem Mittelwert der maximalen Ströme der anderen beiden Blattverstellungsmotoren um einen vorherbestimmten Faktor variieren, wird dadurch gemäß einer Ausführungsform auf das Vorliegen eines fehlerhaften Betriebszustandes geschlossen.From the flow of a respective blade displacement motor is monitored according to a further embodiment of the invention, whether a respective rotor blade has cracks or fractures. It has been found that cracks or breaks in the rotor blades cause the periodic course of the motor current to be superimposed by vibrations occurring during the opening and closing of a crack. These vibrations have a characteristic curvature or a characteristic frequency spectrum and can be analyzed from the motor current. Also imbalance, icing on the rotor blades and occurring Flow changes (for example, due to the entry of a rotor blade into a wind shadow induced by the tower) lead to characteristic vibrations, which according to the invention indicate a specific operating state via an analysis of the motor current of the pitch motor. Whether imbalance, icing or cracks - each of these operating states shapes the periodic course of the motor currents of the blade timing motors in a very specific way. The various operating states also characteristically occur in regions of particular angles of rotation, or tend to repeat themselves periodically in a characteristic pattern. At the same time, the strength of the changes produced by the different operating states of the motor currents or currents is characteristic, and thus they can be determined by means of defined threshold values. In the case of a blade displacement motor, when maximum currents occur which vary from the average of the maximum currents of the other two pitch motors by a predetermined factor, an embodiment indicates that a faulty operating condition exists.

Bevorzugt wird dabei in einem ersten Schritt der Strom eines ersten Blattverstellungsmotors A1(t) eines ersten Rotorblattes gemessen. Für diesen Stromverlauf wird mit Hilfe einer FFT das Frequenzspektrum des Stromes aufgeschlüsselt. In einem nächsten Schritt wird dieses Frequenzspektrum mit dem in einem Datenspeicher abgespeicherten Frequenzspektrum des gleichen Rotorblattes verglichen, welches zuvor während eines bekanntermaßen intakten und unvereisten Zustandes vorher aufgezeichnet wurde. Liegen jeweils die Differenz einzelner Frequenzen zwischen dem aktuell ermittelten Frequenzspektrum und dem aufgezeichneten Frequenzspektrum über einem vorgegebenen Schwellwert, so wird angenommen, dass ein Crack bzw. eine Vereisung des untersuchten Rotorblattes vorliegt und entsprechende Maßnahmen, wie das Herunterfahren der Anlage und/oder das Senden eines Alarmsignals werden ausgelöst.In this case, the current of a first pitch motor A 1 (t) of a first rotor blade is preferably measured in a first step. For this current curve, the frequency spectrum of the current is broken down by means of an FFT. In a next step, this frequency spectrum is compared with the stored in a data memory frequency spectrum of the same rotor blade, which was previously recorded during a known intact and unvereisen state before. If in each case the difference of individual frequencies between the currently determined frequency spectrum and the recorded frequency spectrum is above a predetermined threshold value, it is assumed that cracking or icing of the examined rotor blade is present and appropriate measures, such as shutting down the system and / or sending a Alarm signal is triggered.

Gemäß einer anderen Ausführungsform wird das Frequenzspektrum des Blattverstellungsmotors des zu untersuchenden Rotorblattes mit den Frequenzspektren der Ströme der Blattverstellungsmotoren der anderen beiden Rotorblätter verglichen. Sticht eine oder mehrere Frequenzen des Spektrums gegenüber den anderen beiden Rotorblättern heraus und überschreitet dabei einen Grenzwert, so kann auf das Vorhandensein von Rissen oder Brüchen in einem Rotorblatt geschlossen werden.According to another embodiment, the frequency spectrum of the pitch motor of the rotor blade to be examined is compared with the frequency spectrums of the currents of the blade pitch motors of the other two rotor blades. If one or more frequencies of the spectrum are out of the way of the other two rotor blades and exceeds a limit value, it is possible to conclude the presence of cracks or fractures in a rotor blade.

Um Lagerprobleme zu ermitteln, wird gemäß einer weiteren Ausführungsform der Strom eines Blattverstellungsmotors über einen vorgegebenen Zeitraum integriert und zwar in einem solchen Zeitintervall, in dem der Anstellwinkel des Rotorblattes angepasst wir. Liegt der Wert dieses Integrals oberhalb der Integral-Werte der anderen beiden Blattverstellungsmotoren zuzüglich eines vorherbestimmten Toleranzwertes in dem gleichen Zeitraum, so kann von einem beschädigten Blattlager ausgegangen werden und ein Alarmsignal wird bevorzugt ausgelöst bzw. weitergeleitet.In order to determine bearing problems, the current of a pitch motor is integrated over a predetermined period of time according to a further embodiment and that in such a time interval in which we adjusted the angle of attack of the rotor blade. If the value of this integral is above the integral values of the other two pitch motors plus a predetermined tolerance value in the same time period, then a damaged blade bearing can be assumed and an alarm signal is preferably triggered or forwarded.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform zur Ermittlung von Lagerproblemen wird in einem ersten Schritt der Strom eines Blattverstellungsmotors eines Rotorblattes A1(t) über den zeitlichen Verlauf gemessen. Über dieses Zeitintervall wird daraufhin das Integral gebildet. In einem nächsten Schritt wird dieses Integral mit einem in einer Datenbank abgelegten Wert verglichen, welcher dem Integral des Motorstroms des selben Rotorblattes über den gleichen Zeitintervall entspricht, und in einem Zeitraum erfasst wurde, in dem das Lager bekanntermaßen voll funktionsfähig war. Liegt die Differenz dieser beiden Integrale über einem vorherbestimmten Grenzwert bzw. Toleranzwert, so wird angenommen, dass das entsprechende Lager schadhaft ist und möglicherweise repariert oder ausgetauscht werden muss. Aus diesem Grund werden bei Überschreiten des besagten Grenzwertes vorzugsweise Schaden begrenzende Handlungen wie das Herunterfahren der Windturbine ausgelöst und/oder ein Alarmsignal ausgelöst.According to a further embodiment for determining bearing problems, in a first step the current of a pitch motor of a rotor blade A 1 (t) is measured over the course of time. Over this time interval, the integral is then formed. In a next step, this integral is compared with a value stored in a database, which corresponds to the integral of the motor current of the same rotor blade over the same time interval, and was detected during a period in which the bearing was known to be fully functional. If the difference between these two integrals is above a predetermined limit or tolerance value, it is assumed that the corresponding bearing is defective and may need to be repaired or replaced. For this reason, when the said limit value is exceeded, preferably damage-limiting actions such as shutting down the wind turbine are triggered and / or an alarm signal is triggered.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Steuereinheit, welche mit einem, vorzugsweise mit zweien und besonders bevorzugt mit drei Blattverstellungsmotoren verbunden ist und dazu ausgebildet ist, unter Verwendung der zuvor beschriebenen Verfahrensschritte das Vorliegen von bestimmten Betriebszuständen zu ermitteln und zu überwachen. Dabei ist die Steuereinheit bevorzugt in der Nabe bzw. im Rotor) angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinheit jedoch in dem Maschinenhaus angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die besagte Steuereinheit, welche zur Bestimmung von Betriebszustände durch die Analyse des Motorenstroms wenigstens eines Blattverstellungsmotors ausgebildet ist, Teil eines Sicherheitssystems, welches bei dem Feststellen eines unerwünschten Betriebszustandes auf die Blattverstellungsmotoren und/oder auf ein separates Pitchsystem derart einwirkt, dass die Windturbine wieder in einen sicheren Betriebszustand zurückgeführt wird oder gemäß einer anderen Ausführungsform abgebremst wird. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit in der Nabe angeordnet und nicht oder nicht nur Teil eines Sicherheitssystems, sondern direkt dazu ausgebildet, auf die Blattverstellungsmotoren derart einzuwirken, dass die Windturbine im Betriebszustand in einem gewünschten optimalen Arbeitspunkt gehalten werden kann. Dabei erfolgt zum Beispiel eine rotorpositionsoptimierte Pitchregelung der Blätter. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit auch mit einer Datenbank verbunden, in welcher die während eines Testlaufs gewonnenen Kurvenverläufe der einzelnen Blattverstellungsmotoren bei unterschiedlichen Drehzahlen abgespeichert sind. Dadurch ist es der Steuereinheit möglich, durch einen Vergleich der aktuell gemessenen Stromverläufe mit den abgespeicherten Werten auf einen bestimmten Betriebszustand zu schließen oder einen fehlerhaften Betriebszustand festzustellen. In der Datenbank können auch charakteristische Kurvenverläufe anderer Anlagen abgespeichert sein.The device according to the invention comprises a control unit, which is connected to one, preferably to two, and particularly preferably to three pitch motors, and which is designed to detect and monitor the presence of specific operating states using the method steps described above. In this case, the control unit is preferably arranged in the hub or in the rotor). According to a further embodiment, however, the control unit is arranged in the nacelle. According to a further embodiment, said control unit, which is designed to determine operating conditions by analyzing the motor current of at least one pitch motor, is part of a safety system which, when an undesired operating condition is detected, acts on the blade pitch motors and / or on a separate pitch system the wind turbine is returned to a safe operating condition or braked according to another embodiment. According to a further alternative embodiment of the invention, the control unit is arranged in the hub and not or only part of a safety system, but directly designed to act on the blade displacement motors such that the wind turbine can be maintained in the operating state at a desired optimum operating point. This is done, for example, a Rotor position-optimized pitch control of the blades. According to a further embodiment of the invention, the control unit is also connected to a database, in which the curves obtained during a test run of the individual blade pitch motors are stored at different speeds. This makes it possible for the control unit to conclude by comparing the currently measured current waveforms with the stored values to a specific operating state or to determine a faulty operating state. Characteristic curves of other systems can also be stored in the database.

Figurenbeschreibungfigure description

1 zeigt die Motorenströme der drei Blattverstellungsmotoren einer Windturbine im zeitlichen Verlauf. Dabei sind in den ersten 3 Kurvenverläufen A1(t), A2(t) und A3(t) die Ströme der drei Blattverstellungsmotoren in Ampere über den zeitlichen Verlauf dargestellt. In der vierten Kurve ist die Kombination, in diesem Fall die Differenz, der drei darüber liegenden Kurven dargestellt. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform wird aus dem Kurvenverlauf dieser, aus den 3 Motorenströmen resultierenden Kurve, die Periodendauer und damit die Drehzahl des Rotors ermittelt. 1 shows the motor currents of the three blade pitch motors of a wind turbine over time. In the first three curves A 1 (t), A 2 (t) and A 3 (t), the currents of the three pitch motors in amperes over the time course are shown. In the fourth curve, the combination, in this case the difference, of the three overlying curves is shown. According to the embodiment shown here, the period duration and thus the rotational speed of the rotor is determined from the curve of this, resulting from the 3 engine currents curve.

2 zeigt die Verfahrensschritte, die von der Steuereinheit durchgeführt werden, um die Position eines Rotorblatts einer Windturbine zu bestimmen:
Zunächst werden die Ströme der drei Blattverstellungsmotoren einer Windturbine A1(t), A2(t) und A3(t) gemessen. Diese werden im zeitlichen Verlauf nach der Formel (A1(t) – A2(t) – A3(t)) subtrahiert. In einem nächsten Schritt wird die Ableitung dieser aus den Strömen der drei Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion nach der Zeit gemäß der Formel d / dt(A1(t) – A2(t) – A3(t)) abgeleitet. Zudem werden aus der durch die Ströme der drei Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion die Nullpunkte bestimmt. Mit Hilfe der Kombination zwischen Nullpunkten der gebildeten Funktion und der Information, ob die Ableitung der besagten Funktion nach der Zeit bei einem Nullpunkt größer oder kleiner als Null ist, kann man exakt die Position eines einzelnen Blattes bestimmen, nämlich entweder das Blatt geht in diesem Moment am Turm vorbei oder weist senkrecht nach oben, je nachdem, ob die Ableitung an diesem Punkt größer oder kleiner als 0 ist. Die Phase des Stroms des Blattverstellungsmotors für das erste Rotorblatt entspricht der Phase der aus allen drei Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion Ages(t) = (A1(t) – A2(t) – A3(t)), sodass in Bezug auf die Positionsbestimmung des ersten Rotorblatts keine Phasenverschiebung zu berücksichtigen ist. Zu berücksichtigen ist allerdings die Einbaurichtung der Blattverstellungsmotoren und damit die Stromflussrichtung der Blattverstellungsmotoren. 2 shows the process steps performed by the control unit to determine the position of a rotor blade of a wind turbine:
First, the currents of the three pitch motors of a wind turbine A 1 (t), A 2 (t) and A 3 (t) are measured. These are subtracted over time according to the formula (A 1 (t) - A 2 (t) - A 3 (t)). In a next step, the derivative of this function formed from the currents of the three pitch motors is time-delayed according to the formula d / dt (A 1 (t) - A 2 (t) - A 3 (t)) derived. In addition, the zero points are determined from the function formed by the currents of the three pitch motors. By means of the combination between zero points of the formed function and the information as to whether the derivative of the said function after time at a zero point is greater or less than zero, one can exactly determine the position of a single sheet, namely either the sheet is moving at that moment past the tower or pointing vertically upwards, depending on whether the derivative is greater or less than 0 at this point. The phase of the current of the blade pitch motor for the first rotor blade corresponds to the phase of the function A ges (t) = (A 1 (t) -A 2 (t) -A 3 (t)) formed by all three pitch motors the position determination of the first rotor blade is not to be considered a phase shift. However, the installation direction of the blade pitch motors and thus the current flow direction of the blade pitch motors must be taken into account.

3 zeigt einen ersten Verfahrensablauf zur Bestimmung eines Zustandes einer Überdrehzahl, welcher zur Abschaltung einer Windturbine führt. Dabei werden zunächst wieder die die Ströme der drei Blattverstellungsmotoren einer Windturbine A1(t), A2(t) und A3(t) gemessen. In den nächsten beiden Schritten werden wiederum die Ströme im zeitlichen Verlauf nach der Formel (A1(t) – A2(t) – A3(t)) subtrahiert und es wird die Ableitung dieser aus den Strömen der drei Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion nach der Zeit gemäß der Formel d / dt(A1(t) – A2(t) – A3(t)) abgeleitet. Wenn die Drehzahl einer Windturbine steigt, so vergrößert sich auch der betragsmäßig maximale, während einer Halbperiode festgestellte Wert der Ableitung der aus den Strömen der einzelnen Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion. Aus diesem Grund gilt eine Überdrehzahl als festgestellt, wenn d / dt(A1(t) – A2(t) – A3(t))max über einem festgelegten Schwellwert bei Normaldrehzahl zuzüglich Toleranz liegt. 3 shows a first procedure for determining a state of overspeed, which leads to the shutdown of a wind turbine. The currents of the three pitch motors of a wind turbine A 1 (t), A 2 (t) and A 3 (t) are first measured again. In the next two steps, in turn, the currents are subtracted according to the formula (A 1 (t) -A 2 (t) -A 3 (t)) and the derivative of this function formed from the currents of the three pitch motors is detected the time according to the formula d / dt (A 1 (t) - A 2 (t) - A 3 (t)) derived. As the speed of a wind turbine increases, so does the magnitude of the absolute value, determined during a half period, of the derivative of the function formed by the currents of the individual pitch motors. For this reason, an overspeed is considered to be established when d / dt (A 1 (t) - A 2 (t) - A 3 (t)) max above a specified threshold at normal speed plus tolerance.

4 zeigt einen zweiten Verfahrensablauf zur Bestimmung eines Zustandes einer Überdrehzahl, welcher zur Abschaltung einer Windturbine führt. Dieser in 4 gezeigte Verfahrensablauf hat den Vorteil, dass eine Überdrehzahl schon vor Erreichen des Maximalwertes der Ableitung der aus den Strömen der Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion möglich ist. Hierbei werden die Ströme der Blattverstellungsmotoren gemessen und die Nulldurchgänge der aus den einzelnen Strömen gebildeten Funktion bestimmt und mit einem Pointer versehen. Die an ca. 100 Punkten innerhalb einer Halbperiode gebildeten Ableitungen der aus den Strömen der Blattverstellungsmotoren gebildeten Funktion werden in einem Speicher zwischengespeichert. In einer nächsten Halbperiode werden wiederum die Ableitungen an ca. 100 Punkten gebildet und mit den eine Halbperiode zurückliegenden Werten betragsmäßig verglichen. Wird hierbei festgestellt, dass mehrere, also zum Beispiel 5 aufeinander folgende gebildete Ableitungswerte betragsmäßig über den jeweils eine Halbperiode zuvor festgestellten Ableitungswerten liegen und zudem aus der gemessenen Halbperiodenzeit hervorgeht, dass die Drehzahl am oberen Ende des Drehzahl-Toleranzbereiches liegt, so gilt eine Überdrehzahl als festgestellt und die Windturbine wird heruntergefahren. 4 shows a second procedure for determining a state of overspeed, which leads to the shutdown of a wind turbine. This in 4 The procedure shown has the advantage that an overspeed is possible even before reaching the maximum value of the derivative of the function formed by the currents of the blade pitch motors. In this case, the currents of the pitch motors are measured and the zero crossings of the function formed by the individual currents are determined and provided with a pointer. The derivatives of the function formed by the currents of the blade pitch motors, which are formed at approximately 100 points within one half-cycle, are buffered in a memory. In a next half-period, the derivatives are again formed at approximately 100 points and compared in terms of magnitude with the values preceding a half-period. If it is ascertained in this case that a plurality of derivation values formed, for example, 5 consecutively formed derivation values lie above the derivation values previously determined in each case for a half period and, in addition, from the measured half-period time shows that the rotational speed lies at the upper end of the rotational speed tolerance range, then an overspeed is considered determined and the wind turbine is shut down.

5 zeigt einen Verfahrensablauf bei dem der Zustand der Lager, also das Auftreten von Lagerproblemen überwacht wird. Hierbei werden jeweils die Integrale der einzelnen Blattverstellungsmotoren über einen Zeitraum gemessen, indem wenigstens eine Blattverstellung vorgenommen wird. Vorzugsweise wird jedoch ein größerer Zeitraum gewählt. Die Integralwerte der einzelnen Ströme der Blattverstellungsmotoren werden mit dem Mittelwert der Integrale der andren beiden Blattverstellungsmotoren verglichen. Liegt der Wert eines Integrals eines Blattverstellungsmotore über dem gemittelten Wert der Integrale der anderen beiden Blattverstellungsmotoren zuzüglich eine Toleranzwertes, so wird von einem Lagerschaden ausgegangen. 5 shows a procedure in which the condition of the bearing, so the occurrence of storage problems is monitored. In each case, the integrals of the individual pitch control motors are measured over a period of time by performing at least one pitch adjustment. Preferably, however, a larger period is selected. The integral values of the individual currents of the pitch motors are compared with the average of the integrals of the other two pitch motors. If the value of an integral of a pitch servo motor is above the average value of the integral of the other two pitch motors plus a tolerance value, then bearing damage is assumed.

Claims (9)

Verfahren zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine, wie der Drehzahl des Rotors einer Windturbine oder der statischen Integrität eines Rotorblattes, mit den Verfahrensschritten: – Messen des Stroms wenigstens eines Blattverstellungsmotors einer Windturbine über einen vorgegebenen Zeitraum dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Betriebszustände, mit Hilfe einer Analyse der Strom-Zeitfunktion des Motorstroms, wie etwa der Berechnung der Periodendauer, wenigstens eines Blattverstellungsmotors oder mit Hilfe einer Analyse des Frequenzspektrums des Motorstroms in einem vorgegebenen Zeitraum erfolgt.A method for determining important operating conditions of a wind turbine, such as the speed of the rotor of a wind turbine or the static integrity of a rotor blade, comprising the steps of: measuring the current of at least one pitch motor of a wind turbine for a predetermined period, characterized in that the determination of the operating conditions, with the aid of an analysis of the current-time function of the motor current, such as the calculation of the period duration, at least one pitch servo motor or by means of an analysis of the frequency spectrum of the motor current in a given period takes place. Verfahren zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Rotors mit Hilfe einer Funktion gebildet aus der Summe oder Differenz der Strom-Zeitfunktionen wenigstens zweier Blattverstellungsmotoren einer Windturbine ermittelt wird.Method for determining important operating states of a wind turbine, according to claim 1, characterized in that the speed of the rotor is determined by means of a function formed from the sum or difference of the current-time functions of at least two pitch motors of a wind turbine. Verfahren zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine, gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zustand von Überdrehzahl des Rotors mit Hilfe der Ableitung einer Funktion gebildet aus der Summe oder Differenz der Strom-Zeitfunktionen wenigstens zweier Blattverstellungsmotoren einer Windturbine ermittelt wird.A method for determining important operating conditions of a wind turbine, according to claim 2, characterized in that a state of overspeed of the rotor by means of the derivative of a function formed from the sum or difference of the current-time functions of at least two pitch motors of a wind turbine is determined. Verfahren zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position eines Rotorblatts mit Hilfe der Ableitung einer Funktion gebildet aus der Summe oder Differenz der Strom-Zeitfunktionen wenigstens zweier Blattverstellungsmotoren einer Windturbine in Verbindung mit den ermittelten Nulldurchgängen oder Sattelpunkten dieser Funktion bestimmt wird.Method for determining important operating states of a wind turbine, according to claim 1, characterized in that the position of a rotor blade by means of the derivation of a function formed from the sum or difference of the current-time functions of at least two blade pitch motors of a wind turbine in conjunction with the determined zero crossings or saddle points of these Function is determined. Verfahren zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung von Cracks oder Vereisungen eines Rotorblattes durch Vergleich einer FFT Spektralanalyse des Motorstroms in einem vorgegebenen Zeitraum mit einem in einer Datenbank abgespeicherten Referenz-Spektralmuster des selben Rotorblattes vorgenommen wird.Method for determining important operating states of a wind turbine, according to claim 1, characterized in that the detection of cracks or icing of a rotor blade is made by comparing a FFT spectral analysis of the motor current in a predetermined period with a stored in a database reference spectral pattern of the same rotor blade. Verfahren zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung von Cracks oder Vereisungen eines Rotorblattes durch Vergleich einer FFT Spektralanalyse des Motorstroms in einem vorgegebenen Zeitraum mit einer FFT Spektralanalyse des Motorstroms wenigstens eines weiteren Rotorblattes in einem korrespondierenden Zeitraum vorgenommen wird.Method for determining important operating states of a wind turbine, according to claim 1, characterized in that the detection of cracks or icing of a rotor blade made by comparing a FFT spectral analysis of the motor current in a given period of time with a FFT spectral analysis of the motor current of at least one further rotor blade in a corresponding period becomes. Vorrichtung zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine und/oder zur Überwachung des Betriebszustandes eines Rotorblattes einer Windturbine mit einer Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit mit wenigstens einem Blattverstellungsmotor verbunden ist und dazu ausgebildet ist, unter Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 die Betriebszustände wenigstens eines Rotorblattes zu überwachen.Device for determining important operating states of a wind turbine and / or for monitoring the operating state of a rotor blade of a wind turbine with a control unit, characterized in that the control unit is connected to at least one pitch motor and is adapted to the operating conditions of at least one using the method according to claim 1 To monitor the rotor blade. Vorrichtung zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine und/oder zur Überwachung des Betriebszustandes eines Rotorblattes einer Windturbine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in dem Rotor der Windturbine angeordnet ist.Device for determining important operating conditions of a wind turbine and / or for monitoring the operating state of a rotor blade of a wind turbine according to claim 7, characterized in that the control unit is arranged in the rotor of the wind turbine. Vorrichtung zur Ermittlung wichtiger Betriebszustände einer Windturbine und/oder zur Überwachung des Betriebszustandes eines Rotorblattes einer Windturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Steuereinheit ermittelten Betriebszustände direkt zur Steuerung der Blattverstellungsmotoren verwendet werden.Device for determining important operating states of a wind turbine and / or for monitoring the operating state of a rotor blade of a wind turbine according to claim 8, characterized in that the operating states determined in the control unit are used directly for controlling the blade pitch motors.
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