Verfahren zum Prüfen eines Rotorblatteisdetektionssystems sowie Rotorblatteisdetektionssystem und Windenergieanlage zur Ausführung des Verfahrens |
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申请号 | EP14178216.9 | 申请日 | 2014-07-23 | 公开(公告)号 | EP2985454B1 | 公开(公告)日 | 2017-02-08 |
申请人 | Nordex Energy GmbH; | 发明人 | MAGNUS, Stefan; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Rotorblatteisdetektionssysteme für Windenergieanlagen dienen dazu, bei einer Vereisung eines überwachten Rotorblatts eine Warnung auszugeben. Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem die ordnungsgemäße Funktion eines solchen Rotorblatteisdetektionssystems geprüft werden kann, sowie ein Rotorblatteisdetektionssystem und eine Windenergieanlage zur Ausführung des Verfahrens. Ein Beispiel für ein solches System ist aus der Druckschrift Der eisfreie Zustand der Rotorblätter kann eine Voraussetzung für einen sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Windenergieanlagen sein. Starke Verschmutzungen und insbesondere Vereisungen der Rotorblätter können die Leistungsfähigkeit der Anlage beeinträchtigen. Sie können eine unmittelbare Gefahr darstellen, beispielsweise durch herabfallende Eisbrocken. Sie können überdies teils schwere Folgeschäden verursachen, insbesondere durch Unwuchten und/oder unterschiedliche aerodynamische Kräfte. Mit Rotorblatteisdetektionssystemen können Veränderungen an den Rotorblättern erkannt werden, so dass geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Beispielsweise kann bei Feststellung einer Vereisung der Rotorblätter eine Rotorblattenteisungseinrichtung aktiviert oder die Windenergieanlage abgeschaltet werden. Aus der Druckschrift Es ist schwierig, die ordnungsgemäße Funktion eines solchen Rotorblatteisdetektionssystems zu prüfen. Hierzu muss eine Vereisung des Rotorblatts simuliert werden, beispielsweise indem Gewichte am Rotorblatt befestigt werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig, da es nur vor Ort erfolgen kann und nicht oder nur sehr bedingt im laufenden Betrieb, so dass es eine Unterbrechung des Betriebs der Windenergieanlage erfordert. Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Prüfen eines Rotorblatteisdetektionssystems für eine Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, das einfacher ausgeführt werden kann, sowie ein Rotorblatteisdetektionssystem und eine Windenergieanlage zur Ausführung dieses Verfahrens. Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben. Das Verfahren dient zum Prüfen eines Rotorblatteisdetektionssystems für eine Windenergieanlage. Das Rotorblatteisdetektionssystem ist dazu ausgebildet, bei einer Vereisung eines überwachten Rotorblatts eine Warnung auszugeben. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
Das Ausgeben einer Warnung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann das Rotorblatteisdetektionssystem an einem Ausgang ein Signal zur Verfügung stellen, das bei Ermittlung einer Vereisung einen vorgegebenen Wert annimmt. Das Signal kann beispielsweise an eine Windenergieanlagensteuerung oder an eine übergeordnete Steuerung eines Windparks übermittelt werden. Es obliegt dann der Windenergieanlagensteuerung oder der übergeordneten Steuerung, geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen, beispielsweise die Windenergieanlage abzuschalten. Ebenfalls möglich ist, die Warnung zunächst lediglich zu protokollieren. Mit dem Rotorblatteisdetektionssystem wird mindestens ein Rotorblatt überwacht. Bevorzugt erfolgt eine Überwachung sämtlicher Rotorblätter der betreffenden Windenergieanlage, da eine Vereisung in der Regel gleichmäßig bei allen Rotorblättern erfolgt. Das Rotorblatteisdetektionssystem kann die Daten eines bzw. jedes Rotorblatts mit jeweils mindestens einem geeigneten Sensor erfassen, der an oder in dem Rotorblatt angeordnet ist. Bei den von dem Sensor erfassten Messgrößen kann es sich beispielsweise um eine Beschleunigung, eine Dehnung, ein Biegemoment oder einen Biegeweg handeln. Andere Messgrößen, aus denen sich ebenfalls eine Eigenfrequenz des Rotorblattes ermitteln lässt, sind denkbar. Das Verfahren umfasst außerdem ein Bereitstellen von mindestens einem Wert eines Betriebs- und/oder Umgebungsparameters. Betriebsparameter, die für das Verfahren relevant sein können, sind insbesondere eine Wirkleistung der Windenergieanlage, eine Drehzahl eines Rotors der Windenergieanlage oder ein Pitchwinkel der überwachten Rotorblätter. Werte dieser Betriebsparameter können insbesondere von einer Windenergieanlagensteuerung, die auch als Betriebsführung bezeichnet wird, zur Verfügung gestellt werden. Die Windenergieanlagensteuerung kann die Werte dieser Betriebsparameter bei der Steuerung des Betriebs der Windenergieanlage vorgeben, etwa wenn die Drehzahl des Rotors auf einen bestimmten Drehzahlsollwert geregelt wird. Alternativ können die Werte der Betriebsparameter mit Hilfe geeigneter Sensoren gemessen werden. Beispiele für Umgebungsparameter, die für das Verfahren relevant sein können, sind eine Rotorblatttemperatur, eine Umgebungstemperatur, eine Windgeschwindigkeit und eine Luftfeuchte bzw. Niederschlagsintensität. Anders als die genannten Betriebsparameter können diese Umgebungsparameter nicht ohne Weiteres von einer Windenergieanlagensteuerung beeinflusst werden. Sie werden daher in der Regel mit geeigneten Sensoren erfasst, beispielsweise mit einem an einer Rotorblattoberfläche angeordneten Thermometer zur Erfassung einer Oberflächentemperatur des Rotorblatts oder mit einem Anemometer zur Erfassung der Windgeschwindigkeit. Bei dem Verfahren wird mindestens ein zur Verfügung gestellter Wert eines Betriebs- und/oder Umgebungsparameters so modifiziert, dass er von einem tatsächlichen Wert abweicht. Der Wert wird also relativ zu dem zur Verfügung gestellten Wert, der dem tatsächlichen Wert entspricht, verändert. Hierzu kann beispielsweise ein vorgegebener Offset addiert oder ein Modifizierungsfaktor angewendet werden. Ergebnis ist ein modifizierter Wert, der bewusst von den tatsächlichen Verhältnissen abweichende Betriebsbedingungen widerspiegelt. Das Rotorblatteisdetektionssystem wertet dann die erfassten Daten des Rotorblatts und den mindestens einen modifizierten Wert aus. Zusätzlich zu dem mindestens einen modifizierten Wert kann das Rotorblatteisdetektionssystem dabei weitere ihm zur Verfügung gestellte Werte von Betriebs- und/oder Umgebungsparametern heranziehen. Einer oder mehrere der ausgewerteten Parameter können in der genannten Weise modifiziert worden sein, während ebenfalls einer oder mehrere Werte in der ursprünglich zur Verfügung gestellten, nicht modifizierten Größe ausgewertet werden können. Stellt das Rotorblatteisdetektionssystem bei der Auswertung fest, dass die ausgewerteten Daten auf eine Vereisung eines Rotorblatts hindeuten, gibt es eine Warnung aus. Im letzten Verfahrensschritt erfolgt eine Überprüfung, ob das Rotorblatteisdetektionssystem eine Warnung ausgibt. Diese kann beispielsweise von einer Windenergieanlagensteuerung, die mit dem Rotorblatteisdetektionssystem verbunden ist, vorgenommen werden, alternativ von einer übergeordneten Steuerung beispielsweise eines Windparks. Ebenfalls möglich ist, dass das Rotorblatteisdetektionssystem die Prüfung in einem Testbetrieb selbst vornimmt. Anders als bei der eingangs geschilderten Prüfmethode, bei der an einem Rotorblatt eine zusätzliche Masse angebracht wird, erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keinerlei Veränderung der tatsächlichen Betriebsbedingungen des Rotorblatts. Es kann im laufenden Betrieb der Windenergieanlage ausgeführt werden und eignet sich somit gleichermaßen für eine Funktionsprüfung des Rotorblatteisdetektionssystems bei dessen Erstinstallation als auch bei regelmäßigen Wartungsarbeiten. Es kann sehr einfach festgestellt werden, ob das Rotorblatteisdetektionssystem auf den mindestens einen modifizierten Wert in einer vorgesehenen Weise reagiert, nämlich durch Ausgeben einer Warnung. Die von dem Rotorblatteisdetektionssystem ausgeführte Auswertung erfolgt bei dem Verfahren in der für den regulären Überwachungsbetrieb vorgesehenen Art und Weise. Insbesondere die unter Umständen fehleranfälligen Daten des Rotorblatts werden unverändert verarbeitet. Die Prüfung erfolgt unter realen Einsatzbedingungen und ist daher besonders aussagekräftig. Das Modifizieren des mindestens einen zur Verfügung gestellten Werts kann sich insbesondere auf einen Betriebs- und/oder Umgebungsparameter beziehen, der einen Einfluss auf das dynamische Rotorblattverhalten hat. Das von dem Rotorblatteisdetektionssystem auf Grundlage der erfassten Daten des Rotorblatts charakterisierte, dynamische Verhalten des Rotorblatts weicht dann von der diesbezüglichen Erwartung bei Annahme des modifizierten Werts ab. In diesem Fall sollte das Rotorblatteisdetektionssystem eine Warnung ausgeben, sodass die ordnungsgemäße Funktion des Rotorblatteisdetektionssystems einfach zu überprüfen ist. In einer Ausgestaltung umfasst das Auswerten der Daten des Rotorblatts durch das Rotorblatteisdetektionssystem ein Ermitteln einer realen Eigenfrequenz des zu überwachenden Rotorblatts. Die reale Eigenfrequenz ist eine aussagekräftige, das dynamische Rotorblattverhalten kennzeichnende Größe. Sie kann von dem Rotorblatteisdetektionssystem beispielsweise durch eine Fourier-Analyse aus Beschleunigungsdaten ermittelt werden. Die Eigenfrequenz des Rotorblatts wird von einer Vereisung des Rotorblatts, die mit einer Änderung der strukturellen oder aerodynamischen Eigenschaften des Rotorblatts einhergeht, beeinflusst. In einer Ausgestaltung umfasst das Auswerten des mindestens einen modifizierten Werts durch das Rotorblatteisdetektionssystem ein Ermitteln einer erwarteten Eigenfrequenz des zu überwachenden Rotorblatts. Für diese Auswertung kann in dem Rotorblatteisdetektionssystem eine Berechnungsvorschrift oder eine insbesondere mehrdimensionale Tabelle über die Abhängigkeit der Eigenfrequenz von den zur Verfügung gestellten Betriebs- und/oder Umgebungsparametern hinterlegt sein. Diese Daten können für jeden Rotorblatttyp oder sogar für individuelle Rotorblätter in Modellrechnungen oder alternativ experimentell ermittelt worden sein. Ein Vergleich der realen Eigenfrequenz mit der erwarteten Eigenfrequenz gibt dann Aufschluss darüber, ob das tatsächliche dynamische Verhalten des Rotorblatts dem erwartungsgemäßen dynamischen Verhalten eines eisfreien Rotorblatts bei den jeweiligen Betriebs- und/oder Umgebungsbedingungen entspricht. In einer Ausgestaltung gibt das Rotorblatteisdetektionssystem eine Warnung aus, falls die reale Eigenfrequenz kleiner ist als die erwartete Eigenfrequenz. Eine Verringerung der Eigenfrequenz deutet auf eine Vereisung des Rotorblatts hin. In einer Ausgestaltung umfasst der mindestens eine Wert einen Betriebsparameter, der von einer Windenergieanlagensteuerung zur Verfügung gestellt wird. Viele das dynamische Verhalten des Rotorblatts beeinflussende Betriebsparameter sind für die Steuerung der Windenergieanlage erforderlich und liegen der Windenergieanlagensteuerung vor. Sie können daher besonders einfach von der Windenergieanlagensteuerung zur Verfügung gestellt werden. In einer Ausgestaltung umfasst der mindestens eine Wert einen Umgebungsparameter, der von einem im oder am Rotorblatt angeordneten Sensor zur Verfügung gestellt wird. Bei dem Umgebungsparameter kann es sich beispielsweise um eine Rotorblatttemperatur, insbesondere an einer aerodynamischen Oberfläche des Rotorblatts oder im Inneren des Rotorblatts, handeln. Auf diese Weise können gezielt beispielsweise für eine Vereisung maßgebliche Parameter ausgewertet werden. In einer Ausgestaltung umfasst der mindestens eine Wert eine gemessene Temperatur und der mindestens eine modifizierte Wert eine modifizierte Temperatur, die niedriger ist als die gemessene Temperatur. Beispielsweise kann beim Modifizieren des Werts der gemessenen Temperatur ein Offset im Bereich von 0,5° bis 50° abgezogen werden. Bei der gemessenen Temperatur kann es sich um eine Oberflächentemperatur am Rotorblatt oder um eine Temperatur im Inneren des Rotorblatts handeln. Wegen der temperaturabhängigen Elastizitäten der Komponenten steigen die Eigenfrequenzen des Rotorblatts bei niedrigen Temperaturen an. Die genannte Modifikation führt also zu einem modifizierten Wert der Eigenfrequenz, der größer ist als der reale Wert der Eigenfrequenz. Die negative Differenz zwischen der realen Eigenfrequenz und der erwarteten Eigenfrequenz des Rotorblatts wird als eine Vereisung des Rotorblatts bewertet und das Rotorblatteisdetektionssystem sollte bei ordnungsgemäßer Funktion eine Warnung ausgeben. In einer Ausgestaltung umfasst der mindestens eine Wert eine reale Windgeschwindigkeit und eine reale Wirkleistung und der mindestens eine modifizierte Wert eine modifizierte Windgeschwindigkeit, die größer ist als die gemessene Windgeschwindigkeit, und eine modifizierte Wirkleistung, die größer ist als die reale Wirkleistung. Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass die Eigenfrequenz eines Rotorblatts unter Belastungen, wie sie bei hoher Windgeschwindigkeit und hoher Wirkleistung auftreten, ebenfalls ansteigt. Dies ist auf eine erhöhte Vorspannung des Rotorblatts infolge der mechanischen Belastungen zurückzuführen. Auch bei dieser Modifikation der zur Verfügung gestellten Werte ist die reale Eigenfrequenz niedriger ist als die erwartete Eigenfrequenz, so dass von einer Vereisung des Rotorblatts ausgegangen wird. Bei einem ordnungsgemäß funktionierenden Rotorblatteisdetektionssystem sollte diese Bewertung zur Ausgabe einer Warnung führen. In einer Ausgestaltung entsprechen die modifizierte Windgeschwindigkeit und die modifizierte Wirkleistung einer Leistungskennlinie der Windenergieanlage. Die Leistungskennlinie gibt den Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und Wirkleistung der Windenergieanlage an. Das modifizierte Wertepaar aus Windgeschwindigkeit und Wirkleistung entspricht daher einem auch in der Realität vorkommenden Arbeitspunkt der Windenergieanlage, sodass die Prüfung des Rotorblatteisdetektionssystems unter realistischen Bedingungen vorgenommen wird. In einer Ausgestaltung wird das Prüfen, ob das Rotorblatteisdetektionssystem eine Warnung ausgibt, von einer Windenergieanlagensteuerung durchgeführt. In diesem Fall kann die Windenergieanlage die ordnungsgemäße Funktion des Rotorblatteisdetektionssystems selbst prüfen. In einer Ausgestaltung wird das Modifizieren des mindestens einen Werts von dem Rotorblatteisdetektionssystem ausgeführt. In diesem Fall kann das Verfahren ausgeführt werden, ohne tiefgreifende Veränderungen in der Windenergieanlagensteuerung vornehmen zu müssen. Es genügt, das Rotorblatteisdetektionssystem in einen Testbetrieb zu versetzen, in dem es das Verfahren ausführt. In einer Ausgestaltung wird das Modifizieren des mindestens einen Werts von einer Windenergieanlagensteuerung ausgeführt. In diesem Fall werden dem Rotorblatteisdetektionssystem zur Ausführung des Verfahrens bereits modifizierte Werte von der Windenergieanlagensteuerung übergeben. Ein Eingriff in das Rotorblatteisdetektionssystem ist dann nicht erforderlich, sondern eine entsprechend angepasste Windenergieanlage kann das Verfahren mit einem herkömmlichen Rotorblatteisdetektionssystem ausführen. Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch das Rotorblatteisdetektionssystem für eine Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Das Rotorblatteisdetektionssystem hat
Das Rotorblatteisdetektionssystem ist insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet. Die Schnittstelle kann eine Hardware-Schnittstelle oder eine Software-Schnittstelle sein. Mit dem Einlesen von Werten ist jede Form des Datentransfers zum Rotorblatteisdetektionssystem hin gemeint. Die Einrichtung zum Modifizieren kann ebenso wie die Auswerteeinrichtung ganz oder teilweise in Form von Software realisiert sein. Zu den Merkmalen und Vorteilen des Rotorblatteisdetektionssystems wird auf die vorstehenden Erläuterungen des Verfahrens verwiesen, die entsprechend gelten. Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch die Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Die Windenergieanlage hat:
Die Windenergieanlage ist insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet. Zu den Merkmalen und Vorteilen der Windenergieanlage wird auf die vorstehenden Erläuterungen des Verfahrens und des Rotorblatteisdetektionssystems verwiesen, die entsprechend gelten. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Das Rotorblatteisdetektionssystem 12 umfasst eine Schnittstelle 14, über die dem Rotorblatteisdetektionssystem 12 von der Windenergieanlagensteuerung 10 Werte unterschiedlicher Betriebs- und Umgebungsparameter zur Verfügung gestellt werden. Im Beispiel sind dies eine reale Windgeschwindigkeit, eine reale Wirkleistung der Windenergieanlage, eine reale Drehzahl eines Rotors der Windenergieanlage und ein realer Pitchwinkel der überwachten Rotorblätter der Windenergieanlage. Diese Werte werden von dem Rotorblatteisdetektionssystem 12 über die Schnittstelle 14 eingelesen. Die Auswahleinrichtung 16 ermöglicht eine Auswahl, ob das Rotorblatteisdetektionssystem 12 im regulären Betrieb zur Überwachung eines Rotorblatts eingesetzt werden soll oder in einem Testbetrieb zum Prüfen der ordnungsgemäßen Funktion des Rotorblatteisdetektionssystems 12. Im regulären Betrieb werden die über die Schnittstelle 14 eingelesenen Werte unverändert der Auswerteeinrichtung 18 des Rotorblatteisdetektionssystems 12 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 18 kann beispielsweise in einem Maschinenhaus der Windenergieanlage angeordnet sein, ebenso wie die Windenergieanlagensteuerung 10. Alternativ kann die Auswerteeinrichtung 18 auch in einem Rotor, insbesondere in dem zu überwachenden Rotorblatt der Windenergieanlage 28 untergebracht sein. Die Auswerteeinrichtung 18 ist verbunden mit mindestens einem an dem zu überwachenden Rotorblatt angeordneten Beschleunigungssensor 20, der der Auswerteeinrichtung 18 Beschleunigungsdaten zur Verfügung stellt. Die Auswerteeinrichtung 18 wertet die Betriebs- und Umgebungsparameter sowie die Beschleunigungsdaten aus, wobei sie auf Grundlage der Beschleunigungsdaten 20 eine aktuelle Eigenfrequenz des überwachten Rotorblatts und auf Grundlage der Betriebs- und Umgebungsparameter eine erwartete Eigenfrequenz des Rotorblatts ermittelt. Liefert die Auswertung Hinweise auf eine Vereisung des Rotorblatts, insbesondere falls die reale Eigenfrequenz um mehr als ein vorgegebenes Maß geringer ist als die erwartete Eigenfrequenz, gibt das Rotorblatteisdetektionssystem 12 eine Warnung aus, die an die Windenergieanlagensteuerung 10 übermittelt wird, wie durch den Pfeil 22 angedeutet. Wird mit der Auswahleinrichtung 16 ein Testbetrieb zum Prüfen des Rotorblatteisdetektionssystems 12 ausgewählt, kommt die Einrichtung zum Modifizieren 24 des Rotorblatteisdetektionssystems 12 zum Einsatz. Diese fügt mindestens einem dem Rotorblatteisdetektionssystem 12 über die Schnittstelle 14 zur Verfügung gestellten Betriebs- und/oder Umgebungsparameter einen Offset 26 hinzu. Der auf diese Weise modifizierte Wert wird dann an die Auswerteeinrichtung 18 übermittelt und von dieser in der bereits erläuterten Weise ausgewertet. Die Windenergieanlagenrotorblattsteuerung 10 prüft im Testbetrieb, ob das Rotorblatteisdetektionssystem 12 infolge der Modifikation des mindestens einen Werts eine Warnung ausgibt. Im Ausführungsbeispiel der Im Ausführungsbeispiel der Die Einrichtung zum Modifizieren 24 entspricht ebenfalls der Einrichtung zum Modifizieren 24 aus Anhand der Diagramme der Bei der Erfindung wertet das Rotorblatteisdetektionssystem 12 die von dem Beschleunigungssensor 20 erhaltenen Beschleunigungsdaten aus und ermittelt auf dieser Grundlage die aktuelle Eigenfrequenz des überwachten Rotorblatts.
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