CN113007020A - 用于设定转子叶片的桨距角的方法，用于设定桨距角的控制设备以及相关的风能设施 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于设定风能设施的转子的转子叶片(108)的桨距角(324)的方法、一种用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的控制设备和一种风能设施。本发明的用于设定风能设施(100)的转子(106)的转子叶片的桨距角(324)的方法尤其用于避免吸力侧的流动分离，其中为了设定桨距角(324)，转子叶片可借助于变桨驱动器(116，314)围绕转子叶片纵轴线(112)旋转运动，该方法包括如下步骤：确定(400)转子(106)的空气动力学功率(322)；根据空气动力学功率(322)求取(402)桨距角期望值(312)；和根据所求取的桨距角期望值(312)设定(404)桨距角(324)。

Description

用于设定转子叶片的桨距角的方法，用于设定桨距角的控制 设备以及相关的风能设施

技术领域

本发明涉及一种用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的方法、一种用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的控制设备和一种风能设施。

背景技术

风能设施原则上是已知的，所述风能设施由风产生电功率。现代的风能设施通常涉及所谓的水平轴风能设施，其中转子轴基本上水平地设置并且转子叶片掠过基本上垂直的转子面。风能设施除了设置在吊舱上的转子以外通常包括塔，吊舱与转子围绕基本上竖直定向的轴可转动地设置在所述塔上。转子通常包括一个、两个或更多个同样长的转子叶片。转子叶片是细长的构件，所述构件通常由纤维增强塑料制成。

转子叶片通常具有从根部区域朝向转子叶片尖部延伸的转子叶片纵轴线。通常，转子叶片围绕所述转子叶片纵轴线可旋转调整，以便可以影响攻角。将转子叶片围绕转子叶片纵轴线的旋转调整通常借助于所谓的变桨驱动器进行。变桨驱动器通常位于转子的毂中，转子叶片设置在所述毂上。变桨驱动器通常具有电驱动器和传动小齿轮，所述传动小齿轮与转子叶片的齿部啮合进而可实现转子叶片的旋转调整。

设定桨距角的首要目的是，在额定风速下的转速调节和设备的空气动力学停止，其中所述空气动力学停止也理解为紧急停止。此外，设定桨距角的目的还在于，出现这样的攻角，使得既不在转子叶片的压力侧上也不在转子叶片的吸力侧上出现流动分离。虽然存在这些调整可能性，但是通常还是出现流动分离，尤其是在转子叶片的吸力侧上的流动分离。在吸力侧上的这种流动分离另外是由于空气动力学边界条件不是静态的而且所述边界条件连续地变化，使得可能需要桨距角的快速且连续的匹配。然而，桨距角的这种快速设定借助于当前应用的控制技术是不可实现或仅可受限制地实现。这尤其导致风能设施的受限的装机容量，尤其在风并非最优地转换为电能时引起所述受限的装机容量。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的方法、一种用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的控制设备和一种风能设施，其减少或消除一个或多个所述缺点。尤其本发明的目的是，提供一种解决方案，其可实现尤其在空气密度低的情况下风能设施的较高的效率。

根据第一方面，开头提到的目的通过一种用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的方法来实现，所述方法尤其用于避免吸力侧的流动分离，其中为了设定桨距角，转子叶片能够借助于变桨驱动器围绕转子叶片纵轴线旋转地运动，所述方法包括如下步骤：确定转子的空气动力学功率；根据空气动力学功率求取桨距角期望值；和根据所求取的桨距角期望值设定桨距角。

桨距角尤其描述在转子叶片弦和风吹入方向之间的角度。桨距角通常可借助于变桨驱动器调整。转子叶片能够借助于变桨驱动器围绕转子叶片纵轴线旋转运动。通过转子围绕其转子叶片纵轴线的旋转运动来调整桨距角。

所述方法包括确定转子的空气动力学功率的步骤。空气动力学功率例如可以经由转子力矩确定。尤其优选的是，间接地考虑空气动力学功率。如下面还更详细阐述，空气动力学功率也可以由电功率确定。

在另一步骤中，所述方法包括根据空气动力学功率求取桨距角期望值。桨距角期望值尤其是用于桨距角的预设值，所述预设值在考虑空气动力学功率的情况下出于空气动力学观点基本上是最优的。

所述方法还包括根据所求取的桨距角期望值设定桨距角的步骤。这尤其意味着，将桨距角从已设定的桨距角值朝向桨距角期望值调整。为此，优选操控变桨驱动器，以便使转子叶片围绕其转子叶片纵轴线旋转运动。

本发明基于的认识是，在已知的用于根据电功率控制桨距角的方法中，在设定桨距角时出现明显的延迟。所述延迟的一个原因是，典型地根据转子转速选择风能设施的电功率，然而当在转子处施加提高的空气动力学功率时，所述转子转速由于转子惯性仅延迟地升高。

除此之外，适用已经在文本中提到的原因。延迟例如导致相位延迟，所述相位延迟限制反馈增强所允许的量。例如，在随着设备功率的提高转速升高时功率调节越慢地作出反应，桨距角期望值的改变通常就必须是越小的，以便调节回路保持稳定并且基本上不出现不稳定的和/或振荡的设备运行。

除此之外，具有低调整速度的变桨系统导致桨距角期望值关于时间的仅小的变化是可行的。本发明还基于的认识是，在电功率和空气动力学功率之间的相位延迟导致可缓慢调整的系统。

通过考虑空气动力学功率而不考虑电功率，更陡的桨距角期望值梯度是可行的。更陡的桨距角期望值梯度是有利的，因为借助于其从较高的第一极限功率起才变桨，以便在第二极限功率下设定限定的桨距角期望值。因此，风能设施能够以更陡的桨距角期望值梯度在经济方面有利的边界条件下在较大的运行范围内运行。更陡的桨距角期望值梯度可实现第一极限功率更接近第二极限功率，其中从所述第一极限功率起变桨，在所述第二极限功率下出于空气动力学原因必须达到桨距角。因此，通过提高第一极限功率，下部的功率范围增大，在所述下部的功率范围内，风能设施(WEA)可以在其最优的转子效率下运行。因此，使用空气动力学功率设定桨距角相对于使用电功率设定桨距角存在更短的时间延迟。由于变桨系统对风速改变，尤其对狂风的较早的反应，可实现更强的反应，而不达到调节的稳定性极限。

由此可实现变桨驱动器对改变的空气动力学边界条件的较早的反应。这尤其在空气密度低和/或湍流的风况下是重要的。在典型地在山区地点出现的低空气密度的情况下，与在正常空气密度地点相同风速情况下相比，空气流动的能量含量更小。也就是说，在低空气密度地点相同空气动力学功率在风速较高时才可用。风速的提高在转子叶片中提高了攻角进而也提高了流动失速的风险。所述流动失速通常在低空气密度地点借助叶片角调整起相反作用。于是刚好变桨驱动器的更强的反应是可行的，而不会达到调节的稳定性极限。发明人已发现，当代替电功率将空气动力学功率用作为用于求取桨距角期望值的基础时，桨距角期望值梯度可以增加一倍以上。

根据方法的一个优选的改进方案提出，空气动力学功率由所产生的电功率、损耗功率和/或转子的加速功率求取，其中优选空气动力学功率是电功率、损耗功率和加速功率的总和。

优选借助于转子产生的电功率可以是风能设施供给电网的电功率。替选地，所产生的电功率可以是在发电机输出端处要测量的电功率。损耗功率例如可以由于摩擦损耗、传输损耗和类似的在风能中已知的损耗原因引起。转子的加速功率，如下面还详细阐述，尤其通过转子的惯性力矩求取。根据转子想其角速度方面刚好受到负的加速度还是正的加速度，加速功率是正的或负的。为了确定空气动力学功率，优选求取电功率、损耗功率和加速功率的总和。

根据方法的另一优选的改进方案提出，损耗功率由可测量的损耗功率和估算的损耗功率的总和形成，其中优选估算的损耗功率通过将估算参数与电功率相乘求取。

这种估算参数对应于假定效率。不可直接测量的损耗功率例如包括在半导体开关元件处的开关损耗以及在组件处的欧姆损耗，所述组件的电阻对于控制系统而言是未知的。关于例如“99.5％”的假定效率，实际上可以至少足够准确地估算不可测量的损耗功率。

此外，在所述方法的一个优选的实施变型形式中提出，加速功率由转子的惯性力矩、风速和/或角加速度求取，其中优选加速功率通过转子的惯性力矩与角速度和/或与角加速度相乘求取。

通过改变旋转脉冲机械地暂存在转子中的加速功率在此通过测量角速度和通过测量角加速度检测，其中角速度和角加速度与转子的惯性力矩相乘。

在所述方法的另一优选的改进方案中提出，桨距角期望值由调整梯度求取，其中调整梯度由桨距角和空气动力学功率形成。

调整梯度优选描述，根据改变的空气动力学功率多快地调整桨距角。如在上文中已经描述，尤其优选的是，使用大的调整梯度，其中仍出现稳定的调节回路。调整梯度优选小于每兆瓦(MW)10°，尤其小于等于每兆瓦(MW)9°。还优选的是，调整梯度大于每兆瓦3°。在转子直径大约为100米的设备中，在标准空气密度下，例如优选的是大约每兆瓦3°的调整梯度。在位于高处的山区地点，例如设有直至大约每兆瓦9°的调整梯度。调整梯度尤其与转子叶片的空气动力学设计相关并且通常在设备较大的情况下显得更低。

桨距角期望值优选通过将调整梯度与确定的空气动力学功率相乘得到。

此次之外，优选的是，基于在部段式线性控制函数中描绘的空气动力学功率因数求取所述桨距角期望值，其中部段式线性控制函数的部段通过空气动力学功率限定并且优选所述空气动力学功率因数是功率相关的附加叶片角。

部段式线性控制函数例如描述第一线性部段和第二线性部段。桨距角期望值的第一线性部段尤其在空气动力学功率的第一部段中伸展，例如在2000kW和3000kW之间伸展。除此之外，部段式线性控制函数优选针对空气动力学功率的第二部段限定，例如针对3000kW和5000kW之间的空气动力学功率限定。第一部段的空气动力学功率因数可以与第二部段的空气动力学功率因数不同。

根据上述方法的另一优选的实施方案变型形式提出，在求取桨距角期望值时考虑最小桨距角，其中优选考虑最小桨距角和空气动力学因数，尤其是功率相关的附加叶片角，其中还优选将最小桨距角和空气动力学功率因数，尤其是功率相关的附加叶片角彼此相加，以便求取桨距角期望值。

在具有两个或更多个转子叶片的风能设施中，桨距角优选理解为共同的桨距角。尤其是在部分负荷范围内通常共同调整两个或更多个转子叶片，使得在两个或更多个转子叶片处的桨距角是基本上相同的。

最小桨距角例如是在空气动力学功率低的情况下设定的桨距角。尤其，这是在低于第一功率阈值的空气动力学功率下设定的桨距角。

在所述方法的另一优选的改进方案中提出，部段式线性函数具有第一部段、第二部段和优选第三部段，其中将第一部段定义用于小于第一功率阈值的空气动力学功率，其中桨距角期望值在第一部段中基本上对应于最小桨距角。

优选提出，将第二部段定义用于大于等于所述第一功率阈值并且小于第二功率阈值的空气动力学功率，其中桨距角期望值在第二部段中为最小桨距角和第一空气动力学功率因数的总和，其中优选地，根据第一调整梯度和/或空气动力学功率和/或第一功率阈值求取第一空气动力学功率因数。

除此之外，优选的可以是，将第三部段定义用于大于等于第二功率阈值的空气动力学功率，其中桨距角期望值在第三部段中为最小桨距角和第二空气动力学功率因数的总和，其中优选地，根据第二调整梯度和/或空气动力学功率和/或第二功率阈值和/或第一调整梯度和/或第二功率阈值与第一功率阈值的差求取第二空气动力学功率因数。

优选的是，第一功率阈值为风能设施的额定功率的40％和62.5％之间，尤其为47.5％和52.5％之间并且特别优选大约为50％。还优选的是，第二功率阈值为风能设施的额定功率的62.5％和87.5％之间，尤其为70％和80％之间并且特别优选大约为75％。

这样，例如对于在3500kW至4000kW的额定功率范围内的典型的风能设施优选的是，第一功率阈值为1500kW和2500kW之间，尤其优选为1900kW和2100kW之间。还优选的是，第二功率阈值为2500kW和3500kW之间，尤其优选为2900kW和3100kW之间。

开始进行叶片角干预的功率阈值应当选择为，使得其在如下风速范围内才进行干预，在所述风速范围内设备转速不再能与风速成比例地提高。同时，必须足够低地选择功率阈值，使得在控制技术方面能稳定运用的调整梯度的情况下在设备功率高时也达到足够高的桨距角。在这两个相反的目标之间必要时要找到折中方案。

第一调整梯度和/或第二调整梯度分别是由桨距角和空气动力学功率构成的梯度。由此，第一调整梯度和/或第二调整梯度是与空气动力学功率相关地表示桨距角的曲线的斜率的量值。

所述方法的另一优选的实施变型形式的特征在于，桨距角期望值借助于下面的部段式线性控制函数求取：

其中α是桨距角期望值，α_min是最小桨距角，P_aero是空气动力学功率，P_min,1是第一功率阈值，P_min,2是第二功率阈值，

是第一调整梯度，并且

是第二调整梯度。

优选的是，过滤至少一个信号，尤其表征角加速度的信号。由此可以防止已知的干扰反馈到桨距角。这例如涉及高频干扰或已知的转子谐波。

在方法的另一优选的改进方案中提出，仅当所求取的桨距角期望值和所设定的桨距角值的差大于最小安装角时，才根据所求取的桨距角期望值设定桨距角。

最小安装角由所求取的桨距角期望值减去所设定的桨距角值求取。所设定的桨距角值表示：例如在求取桨距角期望值的时间点和/或直接在根据所求取的桨距角期望值设定桨距角之前的时间点在风能设施处设定的桨距角。

尤其优选的是，考虑所求取的桨距角期望值和所设定的桨距角值的差值。所述方法变型形式具有如下优点，即不持续修正桨距角。这将导致不需要的和经济上不太有利的运行。除此之外，也将提高了风能设施的磨损。由此提出，限定最小行进距离。

最小安装角的值优选为0.1°和0.3°之间，尤其为0.15°和0.25°之间。

在所述方法的另一优选的改进方案中提出，在上部的部分负荷范围内根据空气动力学功率求取桨距角期望值，其中上部的部分负荷范围位于全负荷范围和下部的部分负荷范围之间。

上部的部分负荷范围位于全负荷范围和下部的部分负荷范围之间。全负荷范围的特征尤其在于，风能设施以额定转速和/或额定功率运行。下部的部分负荷范围的特征尤其在于，在所述下部的部分负荷范围内产生比全负荷范围明显更低的功率。例如，在下部的部分负荷范围内所产生的功率可以小于额定功率的60％，小于额定功率的50％或小于额定功率的40％。

上部的部分负荷范围的特征尤其在于，在风速增大时转速基本上不提高，而是基本上保持恒定。基本上在此表示例如，转速以小于10％或小于20％从上部的部分负荷范围的下端朝向上部的部分负荷范围的上端提高。

下部的部分负荷范围、上部的部分负荷范围和/或全负荷范围可以通过空气动力学功率或通过电功率限定。

根据另一方面，开头提到的目的通过一种用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的控制设备来实现，所述控制设备设立用于，根据转子的空气动力学功率求取桨距角期望值并且操控用于设定转子叶片的桨距角的变桨驱动器，使得根据所求取的桨距角期望值借助于变桨驱动器设定桨距角。

为了求取桨距角期望值，控制设备例如可以包括计算单元。此外优选地，控制设备可以包括与计算单元耦联的存储单元。控制设备优选设立用于，执行上面限定的部段式线性控制函数。

控制单元还优选与其他控制单元和/或与测量系统耦联，以便控制设备例如提供电功率、损耗功率和/或转子的加速功率。除此之外，控制设备优选设立用于，求取损耗功率，其方式是：为其提供电功率。加速功率也可以由控制设备求取，例如其方式是：为其提供转子的角速度和/或角加速度。

控制设备可以与变桨驱动器以信号技术耦联，以便操控所述变桨驱动器。变桨驱动器的操控可以通过提供桨距角期望值来进行。控制设备例如可以设立用于，主动地操控变桨驱动器。除此之外，控制设备也可以被动地行动，使得例如变桨驱动器从控制设备检索桨距角期望值。

在控制设备的一个优选的改进方案中提出，桨距角期望值由调整梯度形成，其中调整梯度由桨距角和空气动力学功率形成。

还优选的是，控制设备与变桨驱动器以信号技术耦联，用于调整转子叶片的所设定的桨距角，并且其中控制设备将桨距角期望值提供给变桨驱动器。

在控制设备的一个特别优选的实施变型形式中提出，所述控制设备包括控制器结构，所述控制器结构设立用于，基于桨距角期望值调节桨距角，其中控制器结构具有至少一个用于确定空气动力学功率的第一单元和用于根据空气动力学功率求取桨距角期望值的第二单元。

根据另一方面，开头提到的目的通过一种具有转子的风能设施实现，所述转子具有可调整桨距的转子叶片，其中借助于变桨驱动器可设定转子叶片的桨距角，其中风能设施设立用于实施根据在上文中所描述的实施变型形式的方法，和/或包括根据在上文中所描述的实施变型形式之一的控制设备，其中控制设备以信号技术与变桨驱动器耦联并且设立用于，为变桨驱动器提供根据空气动力学功率求取的桨距角期望值，其中变桨驱动器基于桨距角期望值设定桨距角。

针对其他方面的其他优点、实施变型形式和实施细节及其可行的改进方案也参照针对用于设定风能设施的转子的转子叶片的桨距角的方法的相应的特征和改进方案的之前进行的描述。

附图说明

示例性地根据附图阐述优选的实施例。附图示出：

图1示出风能设施的示例的实施方式的示意三维视图；

图2至4示出在转子叶片处的示例的流动状态的示意二维视图；

图5示出在现有技术中已知的用于设定桨距角的控制器结构的示意视图；

图6示出关于时间描绘的功率曲线的示例的图表；

图7示出用于示出负荷范围的示意图表；

图8示出用于示出调整梯度的示意图表；

图9示出具有控制器结构的控制设备的示意的示例视图；

图10示出示意的方法。

在图中相同的或功能基本上相同的或类似的元件用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1示出风能设施的示意三维视图。风能设施100具有塔102和在塔102上的吊舱104。在吊舱104上设有空气动力学转子106，所述转子具有三个转子叶片108和一个导流罩110，所述转子叶片分别具有转子叶片长度。空气动力学转子106在风能设施100的运行中通过风置于转动运动中进而也转动发电机的电动力转子或电枢，其直接或间接与空气动力学转子106耦联。发电机设置在吊舱104中并且产生电能。

转子叶片108分别具有转子叶片纵轴线112。转子叶片纵轴线112基本上从转子叶片的面向吊舱104的根部区域朝向背离吊舱104的转子叶片尖部延伸。转子叶片108以可围绕转子叶片纵轴线112旋转运动的方式设置。尤其，通过转子叶片108围绕转子叶片纵轴线112的旋转运动可设定桨距角114。

为了设定桨距角114，风能设施100具有变桨驱动器116。变桨驱动器116将转子叶片108与吊舱104耦联。此外，变桨驱动器116设置为，使得所述变桨驱动器可以引起转子叶片108围绕其转子叶片纵轴线112的旋转运动。风能设施100还具有控制设备118。控制设备118构成用于设定转子叶片108的桨距角114。尤其，控制设备118设立用于，根据转子106的空气动力学功率求取桨距角期望值并且操控用于设定桨距角114的变桨驱动器116，使得根据所求取的桨距角期望值借助于变桨驱动器116设定桨距角114。

风能设施100尤其设立用于执行用于设定转子106的至少一个转子叶片108的桨距角114的方法。所述方法尤其适合于避免吸力侧的流动分离，如在下文中还再更详细阐述。所述方法包括如下步骤：确定转子106和/或至少一个转子叶片108的空气动力学功率；根据空气动力学功率求取桨距角期望值；和根据所求取的桨距角期望值设定桨距角114。

图2至4示出在转子叶片处的示例的流动状态的示意二维视图。转子叶片108沿其翼型深度方向从前缘120朝向后缘122延伸。转子叶片108具有吸力侧124和压力侧128。在运行中，在压力侧128上存在过压而在吸力侧124上存在负压。由于过压和负压，转子叶片置于运动中。在吸力侧124上存在吸力侧的流动126。在压力侧128上存在压力侧的流动130。

流动126、130由吹到转子叶片108上的风产生。所述风在转子叶片108处具有入流速度136，所述入流速度由环周速度134和风速132组成。在入流速度136的方向和翼弦121之间形成攻角138。翼弦121从前缘120朝向后缘122延伸。

在图3中示出针对较大的风速132的流动情况。由于基本上保持不变的转速进而基本上保持不变的环周速度134，攻角138改变。因此，入流速度136的方向改变。攻角138的增大有利于在吸力侧124上的流动分离。所述分离物理上通过在靠近表面的区域中的压力升高来进行。压力升高尤其表示吸力侧的流动126的延迟，其中在边界层之内的动能耗尽。这导致在靠近表面的区域中的速度快速降低，使得通常确定相对强的压力升高。

当如在图4中所示桨距角α改变时，可以抵抗这种现象。通过桨距角α的改变，即在翼弦121和风向132之间的角度的改变，攻角138可以再减小。由于攻角138的减小，吸力侧的流动126再次无分离地绕流吸力侧124。

图5示出在现有技术中已知的用于设定桨距角的控制器结构的示意视图。攻角204通过风速218、转速220进而通过环周速度以及通过桨距角224受到影响。在这里示出的在现有技术中已知的控制器结构中，攻角204的设定经由桨距角224进行，其中经由电功率222确定所需的桨距角。

为此，控制器结构200具有转子惯性206的确定和转速测量208。在功率预设210之后进行功率调节212。通过功率调节212确定叶片角期望值214，所述叶片角期望值被提供给变桨系统216。由此确定要设定的桨距角224。通过借助于电功率222控制桨距角224引起可察觉的延迟。所述延迟例如由变桨系统216、功率调节212和转速测量208以及转子惯性206引起。

在示出的控制器结构200中的所述延迟导致相位延迟，所述相位延迟限制反馈增强所允许的量。例如，在随着电功率222的提高转速升高时功率调节222越慢地做出反应，在叶片角期望值确定214中的改变通常就必须是越小的，以便控制器结构保持稳定。

由于所述延迟，发生在图6中示出的在空气动力学功率234和电功率236之间的相移。在此，在横坐标上描绘时间232而在纵坐标上描绘功率230。显然，在空气动力学功率和电功率之间存在大约90°的相移。所述相位延迟导致桨距角的非最优的设定。所述现象尤其是在图7中示出的上部的部分负荷区域246中重要的。这是由于转速在此是基本上恒定的，使得在空气动力学模型中环周速度同样是基本上恒定的。

在图7中描绘的转速功率特征曲线244示出与转速242相关的功率240。在上部的部分负荷区域246中，功率240强烈地升高，其中转速242保持基本上恒定。由于延迟，桨距角期望值的设定同样与延迟相关。所述现象尤其可从图8获知。在那关于桨距角250描绘功率252。桨距角曲线254示出两种不同的特性。为了实现桨距角期望值260在此示出两种不同的调整梯度256、258。

由于延迟，仅较小的第一调整梯度256是可行的。通过上文所描述的用于实现所述目的的方面，可以实现第二调整梯度258。尤其通过设定桨距角期望值，尤其为了基于空气动力学功率而不基于电功率确定调整梯度，可以实现所述较高的第二调整梯度258。从图8中可见的是，从较高的极限功率起才变桨，以便在极限功率处达到所需的桨距角。这尤其由于更陡的第二调整梯度258能够实现。由此能够以更陡的调整梯度在设备的较大的运行范围内在经济方面有利的、较小的桨距角下运行风能设施。

这种更陡的第二调整梯度258例如借助于在图9中示出的控制设备118连同在那示出的控制器结构能够实现。攻角304与风速316、转速318和桨距角324相关。空气动力学功率确定310借助于转子惯性306和转速测量308以及考虑电功率320来确定。基于空气动力学功率322可以确定调整梯度312，所述调整梯度被提供给变桨系统314。变桨系统314随后设定在设备处的限定的桨距角324。因此，更陡的调整梯度312是可行的，使得风能设施在较大的运行范围内可以经济地以较小的叶片角运行。

图10示出示意的方法。在步骤400中确定风能设施的转子的空气动力学功率。在步骤402中根据空气动力学功率求取桨距角期望值。在步骤404中根据所求取的桨距角期望值设定桨距角。由于根据空气动力学功率而不直接根据电功率确定桨距角期望值，引起较短的延迟，进而设备可以较长时间地经济地以较小的桨距角运行。

附图标记列表

100 风能设施

102 塔

104 吊舱

106 转子

108 转子叶片

110 导流罩

112 转子叶片纵轴线

114 桨距角

116 变桨驱动器

118 控制设备

120 前缘

121 翼弦

122 后缘

124 吸力侧

126 吸力侧的流动

128 压力侧

130 压力侧的流动

132 风速

134 环周速度

136 入流速度

138 攻角

200 第一控制器结构

204 攻角

206 转子惯性

208 转速测量

210 功率预设

212 功率调节

214 叶片角期望值

216 变桨系统

218 风速

220 转速

222 电功率

224 桨距角

230 功率

232 时间

234 空气动力学功率

236 电功率

240 功率

242 转速

244 功率曲线

246 上部的部分负荷范围

250 桨距角

252 功率

254 桨距角曲线

256 第一调整梯度

258 第二调整梯度

260 桨距角期望值

304 攻角

306 转子惯性

308 转速测量

310 空气动力学功率的确定

312 桨距角期望值

314 变桨系统

316 风速

318 转速

320 电功率

322 空气动力学功率

324 桨距角

Claims (17)

1.一种用于设定用于风能设施(100)的转子(106)的转子叶片(108)的桨距角(324)的方法，尤其用于避免吸力侧的流动分离，其中为了设定所述桨距角(324)，所述转子叶片(108)能够借助于变桨驱动器(116，314)围绕转子叶片纵轴线(112)旋转地运动，所述方法包括如下步骤：

-确定(400)所述转子(106)的空气动力学功率(322)；

-根据所述空气动力学功率(322)求取(402)桨距角期望值(312)；和

-根据所求取的桨距角期望值(312)设定(404)所述桨距角(324)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述空气动力学功率(322)由所产生的电功率(320)、损耗功率和/或所述转子的加速功率求取，其中优选所述空气动力学功率(322)是所述电功率(320)、所述损耗功率和所述加速功率的总和。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述损耗功率由可测量的损耗功率和估算的损耗功率的总和形成，其中优选所述估算的损耗功率通过将估算参数与所述电功率(320)相乘来求取。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述加速功率由所述转子的惯性力矩、角速度和/或角加速度求取，其中优选所述加速功率通过将所述转子的惯性力矩与所述角速度和/或与所述角加速度相乘来求取。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述桨距角期望值(312)由调整梯度形成，其中所述调整梯度由所述桨距角(324)和所述空气动力学功率(322)形成。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中基于在部段式线性控制函数中描绘的空气动力学功率因数求取所述桨距角期望值(312)，其中部段式线性控制函数的部段通过所述空气动力学功率(322)限定并且优选所述空气动力学功率因数是功率相关的附加叶片角。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在求取所述桨距角期望值(312)时考虑最小桨距角，其中优选考虑所述最小桨距角和所述空气动力学功率因数，尤其所述功率相关的附加叶片角，其中还优选将所述最小桨距角和所述空气动力学功率因数，尤其所述功率相关的附加叶片角彼此相加，以便求取所述桨距角期望值(312)。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，其中部段式线性函数具有第一部段、第二部段和优选第三部段，其中

-将所述第一部段定义用于小于第一功率阈值的空气动力学功率(322)，其中所述桨距角期望值(312)在所述第一部段中基本上对应于所述最小桨距角；和/或

-将所述第二部段定义用于大于等于所述第一功率阈值并且小于第二功率阈值的空气动力学功率(322)，其中所述桨距角期望值(312)在所述第二部段中为所述最小桨距角和第一空气动力学功率因数的总和，其中优选地，根据第一调整梯度和/或所述空气动力学功率(322)和/或所述第一功率阈值求取所述第一空气动力学功率因数，和/或

-将所述第三部段定义用于大于等于所述第二功率阈值的空气动力学功率(322)，其中所述桨距角期望值(312)在所述第三部段中为所述最小桨距角和第二空气动力学功率因数的总和，其中优选地，根据第二调整梯度和/或所述空气动力学功率(322)和/或所述第二功率阈值和/或所述第一调整梯度和/或所述第二功率阈值与所述第一功率阈值的差求取所述第二空气动力学功率因数。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中所述桨距角期望值(312)借助于如下部段式线性控制函数求取：

其中α是桨距角期望值(312)，α_min是最小桨距角，P_aero是空气动力学功率(322)，P_min,1是第一功率阈值，P_min,2是第二功率阈值，

是第一调整梯度，并且

是第二调整梯度。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中过滤至少一个信号，尤其表征所述角加速度的信号。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中仅在所求取的桨距角期望值(312)和所设定的桨距角值的差大于最小安装角时，才根据所求取的桨距角期望值(312)进行所述桨距角(324)的设定。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在上部的部分负荷范围内根据所述空气动力学功率(322)求取所述桨距角期望值(312)，其中所述上部的部分负荷范围位于全负荷范围和下部的部分负荷范围之间。

13.一种用于设定风能设施的转子的转子叶片(108)的桨距角(324)的控制设备(118)，所述控制设备设立用于，根据所述转子的空气动力学功率(322)求取桨距角期望值(312)并且操控用于设定所述转子叶片(108)的桨距角(324)的变桨驱动器(116)，使得根据所求取的桨距角期望值(312)借助于所述变桨驱动器(116)设定所述桨距角(324)。

14.根据权利要求13所述的控制设备(118)，其中所述桨距角期望值(312)由调整梯度形成，其中所述调整梯度由桨距角(324)和所述空气动力学功率(322)形成。

15.根据权利要求13或14所述的控制设备(118)，所述控制设备与变桨驱动器以信号技术耦联，用于调整所述转子叶片(108)的所设定的桨距角，并且其中所述控制设备(118)为所述变桨驱动器提供所述桨距角期望值(312)。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的控制设备(118)，所述控制设备包括控制器结构，所述控制器结构设立用于，基于所述桨距角期望值(312)调节所述桨距角(324)，其中所述控制器结构具有用于确定所述空气动力学功率的第一单元(310)和用于根据所述空气动力学功率求取所述桨距角期望值的第二单元。

17.一种具有转子(106)的风能设施(100)，所述转子具有可调整桨距的转子叶片(108)，其中能够借助于变桨驱动器(116)设定所述转子叶片(108)的桨距角(324)，

-其中所述风能设施(100)设立用于，实施根据权利要求1至12中任一项所述的方法；和/或

-所述风能设施包括根据权利要求13至16中任一项所述的控制设备(118)，其中所述控制设备(118)以信号技术与所述变桨驱动器(116)耦联并且设立用于，为所述变桨驱动器提供根据空气动力学功率(322)求取的桨距角期望值(312)，其中所述变桨驱动器基于所述桨距角期望值(312)设定所述桨距角。

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