专利名称：用于使风能设备运行的方法和风能设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使风能设备运行的方法，其中风能设备具有一 个转子、至少一个可调整角度的转子叶片、 一个用于制动转子的机械制 动装置和一个运行控制装置以及一个安全系统。本发明还涉及一个风能 设备，具有一个转子、至少一个可调整角度的转子叶片、 一个用于制动 转子的机械制动装置和一个运行控制装置以及一个安全系统。
背景技术：
公知用于使风能设备运行的方法和风能设备。为此例如参阅教材撰
写的"Windkraft Systemauslegimg, Netzintegration und Regel呵(风力系统设
计，网组合和调节)"Siegfried Heier,第4版，B.G.Teubner, 2005年2 月。风能设备的运行和风能设备本身在其设计方面、尤其是在其安全性 方面是严格的。尤其是在强风时与停电相结合，在这种情况下由于风在 转子中产生的空气动力转矩不遇到发电机的阻力，可能产生极大的塔负 荷、尤其是塔脚弯矩、不可控的叶片角度调整和甚至触发安全链。由于 电网事故或一般由于发电机的卸载使转子在强风时开始加速，直到风能 设备的制动系统开始制动转子。根据制动功率强度在风能设备上产生不 同强度的负荷。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于使风能设备运行的可靠方法和一个 相应可靠的具有降低的极限负荷的风能设备。
这个目的通过用于使风能设备运行的方法得以实现，其中风能设备 具有一个转子、至少一个角度可调整的转子叶片、 一个用于制动转子的 机械制动装置和一个运行控制装置以及一个安全系统，具有下面的方法 步骤
-通过以至少一个转子叶片在出现故障信号以后的小于8.5°/s的平 均角度调整率角度调整来制动转子，
-只要转子的转速超过预给定的第一转速极限，通过机械制动装置
制动转子，
-只要转子的转速超过预给定的第二转速极限，就触发安全系统， 其中转子被制动且其中第二转速极限大于第 一转速极限，其中对于功能 强大的风能设备即使在与极大的暴风联系的发电机负载减少时也不超 过第二转速极限，所述暴风的出现可能性少于每三个月 一次。
通过按照本发明的方法即使在极大的暴风和发电机同时卸载时，能 够运行风能设备，使得不产生例如其塔脚弯矩或转子弯矩的太大负荷。
尤其是只要转子转速超过可预给定的第一转速极限，通过以少于
8.5°/s的平均角度调整率的角度调整制动转子与通过机械制动装置制动
转子的组合与另 一特征组合实现按照本发明的结果。低的角度调整率尤 其用于防止，转子叶片太快地旋转，由此防止不期望的逆推进。这种认 识基于，为了制动转子尽可能緩慢的角度调整率减小负荷。在不可预见 的暴风时转子超速的隐患缺陷通过按照本发明的附加措施(第一和第二
转速^ L限)按照本发明可以可靠地抑制。目前在现有4支术中不考虑在法丈 障情况下例如负荷下降时的这种低的角度调整率，因为在暴风时产生的
超速状态已经导致不可接受的高负荷。
在本发明的范围内平均角度调整率、意味着尤其是在通过角度调整 实现的制动的时间段上的角度调整率平均值，机械制动装置尤其在这个 时间期间不制动转子。用于通过角度调整制动转子的角度调整率最好不 仅是平均值而且是持续地小于8.57s。
最好使机械制动装置对于具有传动器的风能设备作用于传动链的 快速侧。发电机以其称为动子的旋转部件也位于这一侧上。但是机械制 动装置也可以设置在传动链的慢速侧，即设置在传动器与转子叶片之间 的一侧上。但是也可以设计无传动器的风能设备，因此制动作用于转子 轮毂或发电机动子部位。在本发明的范围内转子的概念尤其也包括传动 链、快速轴、发电机动子、传动器、转子轴(=慢速轴)、转子轮毂和 转子叶片的概念。转子的制动尤其意味着传动链制动。
通过角度调整制动转子可以与通过机械制动装置制动转子附加或 可选择地实现。也可以选择首先通过角度调整制动转子，接着执行两个 制动方案，即通过角度调整和通过机械制动装置。
在触发安全系统以后尤其可以使转子最好在绕过(tJbergehung)运 行控制装置的情况下制动。但是运行控制装置也可以是安全系统的 一部
分，或者安全系统可以是运行控制装置的一部分，由此在触发安全装置 以后不必一定为制动绕过运行控制装置。
暴风的形式和强度可以通过标准风轮廓;漠型计算，如同例如在2002 年11月由Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi, John Wiley和Sons Ltd撰写的教材"Wind Energy handbook (风能手册)" 第214至218页给出的那样。尤其是公式(5.1 )是重要的，其中对于按 照本发明的小于三个月 一次的出现可能性的情况对于三个月的下极限 值采用约4.6的系数|3。为了简单起见对于极大暴风(在这个文献中称 为gust)的持续时间采用10s。为了设计风能设备和第一和第二转速极 限的大小根据风能设备的放置位置由预给定或可预给定的负荷情况出 发，它们必需能够不损坏风能设备地在风能设备运行中或由风能设备接 受。这种负荷情况例如由德国Lioyd或相应的其它安全研究所定义。根 据负荷情况定义，它们例如已经对应于Herrn Stig Oye的计算枳i禾呈序 "Flex，，或者由这个程序推导或改进的相应的计算机程序，用于模拟风能 设备和运行风能设备并因此根据负荷情况找出在风能设备上在运行中 可能产生哪些负荷。这些负荷一般以预给定的可能性出现。例如在上述 由Tony, Burton等撰写的文献"风能手册，，在"load case"第216至218页 中从一年一次的暴风出发，即以每年出现一次的可能性的极大暴风。
本发明的目的还通过一种使风能设备运行的方法得以实现，其中风 能设备具有一个转子、至少一个可调整角度的转子叶片、 一个用于制动 转子的机械制动装置、 一个运行控制装置和一个安全系统，该方法具有 下面的方法步骤
-在出现故障信号以后通过以至少一个转子叶片的小于8.57s的平 均角度调整率调整角度制动转子，
-只要转子的转速超过可预给定的第一转速极限，就通过机械制动 装置制动转子，其中通过运行控制装置触发机械制动，
-只要转子的转速超过可预给定的第二转速极限，就触发安全系
统，其中制动转子并且其中第二转速极限大于第一转速极限。
在具有每年一次的出现可能性的暴风时最好不超过第二转速极限。
例如德国Lioyd规定，在预给定的负荷情况下例如出现"一年一次的暴 风"、即极大的以每年一次的出现可能性出现的暴风，而且在风能设备 的相应安装地点例如在转子中不允许超过确定的应力或者说产生的应
力与最大产生的应力相比必需具有确定的安全水平。
设计第二转速极限，使得对于一年一次的暴风不超过第二转速极 限，与对三个月一次的暴风设计相比的优点是，明显更少地进入制动， 并由此减少制动器和整个传动链的磨损。
所述故障信号是超过小于第一转速极限的第三转速极限、发电机的 卸载、电网中故障和/或至少 一个转子叶片的角度调整器中的故障。
如果至少 一 个转子叶片在出现故障信号以后的角度调整率小于
8。/s、尤其优选是小于6.57s、尤其优选小于4.6°/s、尤其优选小于4.5°/s, 能够实现更可靠的运行。这些值可以作为平均值和/或没有均化的实际 值。适宜地由一个附属于运行控制装置的调节装置或一个独立的调节装 置调节角度调整率。在此运行控制器预给定角度调整率，然后调节装置 调节角度调整率或调整各转子叶片的角度调整。
在超过可预给定的叶片角度时至少 一个转子叶片的角度调整率最 好改变到小的角度调整率、尤其是一个小于原先的角度调整率一半、尤 其是小于其四分之一的角度调整率。
在出现故障信号时由于存在转子叶片的叶片角度调整以按照本发 明的角度调整率向旗位(Fahnenstellung)的方向旋转叶片角度。在此原 始点可以是转子叶片的零位。但是也可以存在一个位置，该位置已经向 旗位的方向上进给。零位最好是在运行中以最佳的转速实现最大功率的 转子叶片位置，经常也称为运行位置。旗位最好是那个位置，在该位置 可以不产生功率。在此转子叶片向旗子一样随风旋转。
第一转速极限位于大于风能设备的额定转速以上15%的范围中，该 风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功率。在本发明的范围内额定转 速是一个转速，在该转速时风能设备才达到额定功率。相关的风速即为 额定风速。尤其是对于在额定风速以上的高风速时工作转速降低的风能 设备中额定转速的概念也可以是各工作点上的降低的工作转速。额定转 速对于额定功率1.5MW的风能设备例如可以是每分钟1,800转(rpm )。 在发电机动子上或在传动器的快速轴上测量这个额定转速。但是也可以 定义其它的额定转速，即那个转速，它在转子轮毂上产生或者如果没有 传动器时在发电机中产生。这个相应的额定转速最好可以在5至20rpm， 尤其是8至18rpm。额定功率是风能设备的最大持续功率，即那个功率， 在该功率时在风能设备同时尽可能微少的磨损的情况下得到获得的功
率的最佳值。额定功率尤其在离岸的风能设备中、尤其是在强风地点是 那个功率，以该功率风能设备在整个使用寿命上产生最大的总功率。
第一转速极限优选位于风能设备的额定转速以上20至35% 、尤其 是22至28%。尤其优选风能设备额定转速以上约25%的数值。
第二转速极限优选位于风能设备的额定转速以上35 %至45%,该风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功率。这个第二转速极限位于目 前对于现有技术中大于1.45MW的设备常见的转速极限以上，在超过该 转速时触发安全装置。对于较小的并因此更少承载和临界负荷的设备 (例如600kW)这个转速极限更高。
第二转速极限优选位于风能设备的第一转速极限以上的5 %至20% 的范围，其中尤其对于非常刚性的、例如无传动器的传动链对低范围感 兴趣，因为在那里没有旋转振动。
笫三转速极限尤其最好位于风能设备额定转速以上10%至20%、 尤其是15 %至17%的范围，该风能设备具有尤其大于1.45MW的额定 功率。第三转速极限相对较低，即，已经在相对较低的转速极限时开始 通过空气动力学的制动由以相对较低的角度调整率调整至少 一个转子 叶片的角度制动风能设备。
最好在低于第四可预给定的转速极限时结束通过机械的制动装置 制动转子。这一点最好在风能设备位于安全的设备状态时出现，即结束 才及端的负荷状况。
动装i u;)、开始制动转^r^^给口定时间被超过时，结束通过机械制动
装置制动转子，由此尤其能够实现机械制动装置的更受保护且更安全的 运行。由此尤其避免危险的制动过热。
此外这个目的通过一种使风能设备运行的方法得以实现，其中风能 设备具有一个转子、至少一个可调整角度的转子叶片、 一个塔、 一个运 行控制装置以及一个安全系统，该方法具有下面的方法步骤
-通过运行控制装置调节或控制风能设备的运行用于产生电压直 到出现故障信号，
-在出现故障信号时触发安全系统并且接着通过以一个在塔的一 半直到整个振动周期的时间段上获得的、尤其起始的、小于所述至少一 个转子叶片的6.5°/s的平均角度调整率角度调整制动转子。 平均的角度调整率最好小于6°/s、尤其是小于5°/s、尤其是小于 4.67s、尤其是小于4.57s。
最好控制或调节角度调整率并且随着叶片角度的增加加大和/或转 速的减小进一步降低。
最好在与极大的暴风相关联的发电机卸载时出现故障信号，其中该 暴风的出现可能性小于每三个月 一次、尤其是小于每年一次。
这个目的还通过一个风能设备得以实现，它具有一个转子、至少一 个可调整角度的转子叶片、 一个用于制动转子的机械制动装置一个运行 控制装置以及一个安全系统，其中具有第一制动装置，它在存在故障信 号时通过所述至少一个转子叶片以小于8.5%的平均角度调整率的角度 调整制动转子，其中具有用于机械制动转子的第二制动装置，只要转子 的转速超过可预给定的第一转速极限，其中安全系统在转子的转速超过 可预给定的第二转速极限的情况下用于制动转子，其中第二转速极限大 于第一转速极限，其中设计第二转速极限和风能设备的大小，从而对于 功能强大的风能设备也在与极大的其出现可能性少于三个月 一次的暴 风相关联的发电机卸载时不超过第二转速极限。
在本发明的范围内存在故障信号尤其也意味着产生故障信号。
这个目的还通过一个风能设备得以实现，它具有一个转子、至少一 个可调整角度的转子叶片、 一个用于制动转子的机械制动装置、 一个运 行控制装置和一个安全系统，其中具有第一制动装置，它在存在故障信 号时通过以小于8.5%的平均角度调整率调整所述至少一个转子叶片的 角度制动转子，其中具有用于机械制动转子的第二制动装置，只要转子 的转速超过可预给定的第一转速极限，其中第二制动装置通过运行控制 装置触发，其中安全系统在转子的转速超过可预给定的第二转速极限的 情况下用于制动转子，其中第二转速极限大于第 一 转速极限。
对于具有每年一次的出现可能性的暴风最好不超过第二转速极限。 这尤其意味着，这种负荷的出现可能性这样少，使得它可以通过相对较 低的安全性水平验证。
所述故障信号最好是超越小于第 一转速极限的第三转速极限、发电 机的卸载、电网中故障和/或至少一个转子叶片的角度调整中的故障。优 选所述至少一个转子叶片在存在故障信号时的角度调整率小于8°/s、尤 其是小于6.5。/s、尤其是小于4.6。/s、尤其是小于4.57s。最好由一个附
属于运行控制装置的调节装置或一个独立的调节装置调节角度调整率。 在超过可预给定的叶片角度时所述至少一个转子叶片的角度调整率可 适宜地改变到更小的角度调整率、尤其是一个小于原先的角度调整率一 半、尤其是小于其四分之一的角度调整率。相对于通过调节装置调节也 可以选择地通过适合的硬件结构、例如用于给调整驱动装置供电的分级 电池组降低调整率。
第 一转速极限最好位于大于风能设备的额定转速以上15 %的范围 中，该风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功率。在额定转速为 1,800rpm时第一转速才及限最好在大于2,070rpm的范围并且尤其优选在 大于2,160rpm的范围。第一转速极限最好位于风能设备的额定转速以上 的20至35% 、尤其是22至28% 。这个转速极限对于1,800的额定转速 对应于2,160至2,430、尤其是2,196至2,304rpm的范围。
第二转速极限最好位于风能设备的额定转速以上的35%至45%, 该风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功率。在额定转速为1,800rpm 时这个第二转速极限对应于2,430rpm至2,610rpm的范围。
第二转速极限最好位于风能设备的第一转速极限以上5 %至20 %的 范围。这个第二转速极限在第一转速极限为2,200rpm时对应于2,310至 2,640rpm。
第三转速极限最好位于风能设备额定转速以上的10%至20%、尤 其是15 %至17%的范围，该风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功 率。在额定转速为1,800 rpm时这个第三转速极限位于1,980至2,160rpm 的范围、尤其是2,070至2,106rpm的范围。最好在^f氐于第四可预给定的 转速极限、例如额定转速时可结束通过机械的制动装置制动转子。此外
i开始制动转子可预纟f定g时;被超过时、，最好可结束通过机械制动装置
制动转子。
这个目的还通过一个风能设备得以实现，它具有一个转子、至少一 个可调整角度的转子叶片、 一个塔、特别优选用于制动转子的机械制动 器一个运行控制装置和一个安全系统，其中用于受调节或控制地运行风 能设备的运行控制装置用于产生电压直到出现故障信号，其中在出现故 障信号时和/或以后触发安全系统并且通过安全系统以在塔一半至完全
振动周期的时间段上获得的、尤其是开始的、所述至少一个转子叶片的
小于6.5°/s的平均角度调整率通过角度调整引起转子的制动。
按照本发明的认识基于，当至少对于塔半振动周期的持续时间、但 是有利地对于整个振动周期的持续时间使在出现故障信号后的开始的
角度调整率限制到小于6.57s的低值，则可以通过负的转子推进克服塔 振动的过激励。通常的塔固有频率位于0.2-0.4Hz之间，即，振动周期 为2.5至5秒。因此对于硬塔触发故障信号以后调整率在至少1.3秒中 被限制到上述值、对于软塔在2.5秒中限制到上述的数值。但是明显更 加有效的是，执行限制约2.5或5秒，用于最好地在出现故障信号以后 避免激励塔的第一振动循环。对于未来更大的具有期待的更低固有频率 的i殳备当然相应地适配该关系。
平均的角度调整率最好小于67s、尤其是小于5。/s、尤其是4.5。/s。
角度调整率最好可控制或调节并且随着叶片角度的增加加大和/或 转速的减小进一步降低。
最好在与极大的暴风关联的发电机卸载时出现故障信号，其中暴风 的出现可能性小于每三个月一次、尤其是小于每年一次。
这个目的还通过用于使风能设备运行的方法得以实现，其中风能设 备具有一个转子、至少一个可调整角度的转子叶片、 一个用于制动转子 的机械制动装置一个运行控制装置以及一个安全系统，该方向具有下面 的方法步骤
-在出现故障信号以后通过以所述至少一个转子叶片的小于6.57s 的平均角度调整率角度调整制动转子，
-只要转子的转速超过可预给定的第一转速极限，通过机械制动装 置制动转子，
-只要转子的转速超过可预给定的第二转速极限，就触发安全系 统，其中第二转速极限大于第一转速极限，其中第一转速极限位于大于 风能设备额定转速以上15%的范围，该风能设备尤其具有大于1.45MW 的额定功率。
第一转速极限位于风能设备的额定转速以上20至35% 、尤其是22 至28% 。此外第二转速极限位于风能设备的额定转速以上35 %至45% 的区域，该风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功率。故障信号最好 包括第三转速极限，它位于风能设备额定转速以上10%至20%、尤其 是15 %至17%的区域。
这个目的相应地通过一个风能设备得以实现，它具有一个转子、至 少一个可调整角度的转子叶片、 一个用于制动转子的机械制动器、 一个 运行控制装置和一个安全系统，其中具有第一制动装置，它通过所述至
少一个转子叶片以小于6.57s的平均角度调整率在存在故障信号时的角 度调整制动转子，其中具有的第二制动装置用于机械制动转子，只要转 子的转速超过可预给定的第一转速极限，其中安全系统在转子的转速超 过可预给定的第二转速极限的情况下用于制动转子，其中第二转速极限 大于第 一转速极限，其中第 一转速极限位于大于风能设备额定转速以上 15%的范围，该风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功率。按照本发 明的风能设备的其它优选特征由上面的描述给出。
下面不限制一般发明思想地借助于附图中的实施例描述本发明，其 中所有在文字中未详细示出的按照本发明的细节请参阅对于附图的说 明。附图中
图1示出风能设备的示意图，
图2示出风能设备主要部分的示意方框图，
图3示出两种不同负荷状况的示意曲线图，它们在按照本发明的风 能设备中产生，即，
图3a示出计算的每年一次的暴风的速度与时间的关系，
图3b示出角度调整率与时间的关系，
图3c示出转速与时间的关系，
图3d示出电功率与时间的关系，
图3e示出制动转矩与时间的关系，
图3f示出塔脚弯矩与时间的关系，
图3g示出转子转矩与时间的关系，
图4示出第二风能设备的数值曲线图，它一方面(以实线)按照本 发明呈现，另一方面(以虚线)按照现有技术呈现，其中 图4a示出计算的暴风的风速与时间的关系， 图4b示出角度调整率与时间的关系， 图4c示出转速与时间的关系， 图4d示出电功率与时间的关系， 图4e示出制动转矩与时间的关系， 图4f示出塔脚弯矩与时间的关系，
图4g示出转子转矩与时间的关系。
在下面的附图中相同的或同类的部件或相应的部分配有相同的附 图标记，因此省去相应地重复介绍。
图1示出风能设备10的示意图。该风能设备10具有一个塔11和 一个转子12,它包括安置在转子轮毂13上的三个转子叶片14。在刮风 时转子12以公知的方式旋转。由此由连接在转子12或转子轮毂13上 的发电机产生功率并且输出到用户电网。
图2简示出按照本发明风能设备10的主要组成部分。 一个也可以 称为运行控制装置或运行控制系统的运行控制器15控制和/或调节风能 设备10的运行。与运行控制器15并排地设置安全监控器16,它与安全 链20连接。该安全链20包括例如一个振动信号装置、 一个手动(紧急) 开关和一个转速继电器。该安全链20用于在出现安全重要的事件时、 例如太大的振动或者通过使用者操纵紧急开关时使风能设备降到非临 界状态。安全链20可以由硬件链构成。在触发安全链20时，这通过向 电元件21的箭头表示，发电机23由电网25脱离并且制动转子轴9或 快速轴22,例如通过叶片调整器18或机械制动器19或者也可以通过未 示出的方式直接绕过一个或多个调节控制装置，如叶片调整器18。也可 以这样构成安全监控器16,使得它检验运行控制器15的功能性。因此 安全监控器16最好构成一种看门狗的形式。运行控制器15，如虛线所示 也可以包括安全监控器16。它是具有组合的安全监控器16的运行控制 器15,。
运行控制器15, 15'通过相应地电子数据导线与调节器17和叶片调 整器18连接并且还与机械的制动器19连接。叶片调整器18尤其理解 成一个促动器，它负责转子叶片14的叶片调整。相应地机械制动器19 是一个促动器，它负责，使机械制动器19在这个实施例中作用于快速 轴22上。机械制动器19也可以作用于转子轴9上，但是未示出这一点。
以26表示数据连接，它将转子叶片14的转子叶片角度输送到运行 控制器15或15'。以附图标记27表示数据连接，它将快速轴22的实际 转速输送到运行控制器15或15，。以30表示数据导线，它将在这个实 施例中来自电元件21的故障信号输送到运行控制器15或15，。
风能设备如下运行。通过刮风使转子12按照旋转方向29旋转。由 此也使转子轴9旋转，它通过传动器24以例如1: 100的传动比使快速
轴22旋转。由此在发电机23中产生电压，它在电元件21中调节、整 流和/或转换成交流电压。在电元件21的输出部上具有与电网25的连接， 通过它对用户以电压或电功率供电。例如在上述的Siegfried Heier撰写 的教材"Wjndkraft Systemauslegung, Netzintegration und Regelung (风力设备系 统设计，电网组合和调节)"第五章中公开了一般公知的风力设备的调 节和控制方案。
在出现极大暴风31时与发电机的负荷下降、即尤其是例如由于整 流器失效、发电机失效、变压器失效、电网失效或触发安全链使电网负 荷突然下降相关地可能出现转子或发电机的转速进入到非常临界且高 的转速，由此必需突然制动，这可能导致风能设备材料的强烈疲劳或者 导致损伤。
本发明由此克ill它，使转子12或转子轴9或相应地快速轴22在出 现相应的故障信号例如超过相对较低的第三转速极限时已经通过相对 緩慢的角度调整28制动。通过低于8.5。/s、尤其是低于6.5°/s的相对较 低的角度调整率开始少负荷的制动。
如果这个制动由于暴风31的强度而不足够并且转子(其在本发明 的范围内也包括传动链和发电机动子)的转速超过预给定的大于第三转 速极限的第一转速极限，通过按照本发明的制动程序由运行控制器15 或15，启动机械制动器19。只有当两个制动方案、即通过叶片调整器18 的空气动力学制动和通过机械制动器19的机械制动不足够并且暴风31 强大到超过第二转速^l限时，才触发安全系统16, 20。
安全系统16， 20的作用是对于运行控制重要的触发制动装置和必 要时进一步加强制动效果，例如具有更大角度调整率的叶片调整和/或以 更高的液压压力加载液压制动器。但是这样设计第二转速极限，在发电 机卸载时只在这种极大暴风时达到这个转速极限，这种暴风以少于三个 月一次的出现可能性出现。在这个特殊的实施例中基于少于每年一次的 出现可能性的暴风。 一个良好使用的包括一个安全监控器16和一个安 全链20的安全系统的简单实施形式例如在上述的文献"Wind Energy Handbook (风能手册)"第473和474页中描述。
在图3a至3g中示出曲线图，通过它们要解释本发明对于两种不同 的负荷情况。图3a示出风速与时间的关系曲线，其中在那里示出常见 的才及大运行暴风，它例如可以才艮据在上面详细给出的文献"风能手册，，第五章第215页的公式5.1计算。它是一种在观察地点以每年正好一次出 现可能性的暴风。图3d示出电功率kW与时间的关系，其中示出两种 情况，即第一种情况，其中在约7.5秒时出现负荷下降，即在暴风最小 值时和与此相比在约9秒时，这基本对应于由图3a看到的暴风的上升 侧的中间位置。第二种情况是对于风能设备更临界的状况并且以虚线表 示。为了可靠地设计风能设备必需允许任意时刻的负荷下降，而不产生 危险状况。
图3b示出转子叶片14的角度调整率7s。首先看出，在图3d的两 种情况下由于暴风的形式和与此相关的更低的风速，倾斜率或角度调整 率首先是负的，即，转子叶片在风中调整，由此可以产生更高的转矩。 在负荷下降时在两种情况下角度调整率通过运行控制器相对较快地调 整到5。/s的范围。更小的角度调整率中断基于短时间的角度调整驱动装 置的过载。
在图3c中示出通过暴风产生的快速轴22转速。转速信号的波动性 基于下面描述的传动链扭转振动。在第一种非临界情况下转速提高到接 近2,200rpm并且在临界情况下(虚线)转速提高到接近2,500rpm。对 于这个实施例第二转速极限最好调整到2,500rpm。通过将安全链的触发 转速提高到2,500rpm避免触发安全链。由此明显减少风能设备的负荷。 对于数量级为1.5MW和更大的风能设备的安全链的常见触发转速例如 为2,400rpm。
在图3e中以曲线图简示出机械制动器的制动转矩与时间的关系。 可以看出，对于第一种情况(实线)不激活机械制动器，因为不超过第 一转速极限。对于第二种情况(虚线)在超过2,260rpm的第一转速极限 时激活机械制动器并且在约11.5秒时起作用，并且以微小的时间延迟使 机械制动器开始起作用。
在图3f中示出对于两种情况的塔脚弯矩kNm与时间的关系。可以 明显看出，第二种情况(虚线)在塔脚弯矩方面更加临界。也可以看出， 在两种情况下由于暴风得到衰减的塔振动。
在图3g中示出转子转矩kNm。在这种情况下也以实线和虚线表示 不同的情况。可以看出，传动链由于突然的负荷下降在两种情况下都激 励强烈的扭转振动，与突然释放预紧的扭转螺簧类似。在第二种(虚线 所示的)情况下可以看到由于加入才/l4戎制动的4展动偏移。
为了使本发明更清楚，在图4a至4g中示出对应于按照图4a的才及大 暴风(每年一次的暴风)在按照图4d的发电机负荷下降情况下的相应 负荷状况。示出不同的方法控制， 一个是优选的按照本发明的风能设备 运行(实线)，另一个是更少优选的按照本发明的运行控制。这个运行 控制与现有技术不同已经具有非常小的叶片调整率，它在紧急停止时已 经确认为非常低的5。/s或6。/s。但是这个运行控制没有通过运行控制器 触发制动器的第一转速极限，而是仅仅通过安全装置在2,400rpm转速时 触发制动器。首先描述这种虚线表示的运行控制过程。
按照图4d可以看出，大约在图4a的暴风上升侧的中间产生负荷下 降，即在临界部位。在更少优选的实施例中在卸载时需要5。/s的叶片调 整率。在超过2,400rpm的触发转速(参见图4c )时通过安全装置触发 紧急停止。需要提高的6。/s的叶片调整率，但是由于较窄设计的角度调 整装置不能恒定得保持这个叶片调整率。同时触发机械制动器，由此以 这种运行方式得到比实线所示的优选实施例更快的转速下降。由此引起 相对较高的塔脚弯矩(图4f)。
而在优选的按照本发明的实施例中按照图4b的实线将叶片调整率 调整和调节到小于4.6°/s尤其是正好4°/s。在超过第一转速极限(在这 里2,270rpm)时按照图4e机械制动器起作用，即比更少优选的实施例 略微早。通过微小的叶片调整速度总体上转子减速的突然性较小。相应 地按照图4f在优选的实施例(实线)中与更少优选的实施例(虚线)相 比得到更加有利的塔脚弯矩。相应地在图4g中示出转子转矩与时间的 关系。可以看出传动链负荷的有限增加，它与塔中的负荷降低相比是可 以接受的，尤其是因为它是非常少见的负荷情况。也可以看出，产生负 的制动转矩，因为转子与制动器相反地振动。
因此本发明涉及风能设备的设计和运行、尤其是对于DLC1.5 (对 于具有电网失效的每年一次的运行暴风的设计负荷情况)。在常见的运 行控制中可以产生达100,000kNm的塔脚弯矩(包括安全系数)。增加空 气动力推进可以附加地加强塔的固有动态性，塔越高和动态性越大，即 塔固有频率越低，空气动力推进越大。
通过将叶片调整率例如从6变化到5°/s和将安全链的触发转速从 2,400提高到2,500和规定在超过2,200rpm的第一转速极限时机械制动 功能可以轻易地对于所示的2MW额定功率的示例设备降低14 %的塔脚
弯矩。最好选择第一转速极限，从而在没有出现暴风地电网失效或者离 开电网负荷时叶片调整足够用于保证没有机械制动器地可靠运行。只有 当附加地还对于不利的时刻出现暴风时才是这种情况。在第一转速极限
例如提高到2,230或2,270rpm时与2,200rpm时的情况相比只略微提高 塔脚弯矩，因此其如图4所示那样，可有运行控制系统或运行控制装置 的简单参数化的优点，例如当这个转速极限已经对于其它的运行控制过 程存在的时候。可以如下进一步降低塔脚弯矩，使叶片调整率继续减小， 例如最好减小到4.5°/s或者进一步减小到4°/s,如图4b所示。
第二转速极限对于1.5MW的设备通过本发明可以比常见的更高， 例如提高到2,570rpm或者甚至2,660rpm。通过本发明比常见情况提前 地操纵在图4e中所示的机械制动器。此外例如通过使用不被调节的调 整直接通过蓄电池避免高的叶片调整率。在此不使传动链负荷明显变 差，如图4g所示的那样。用于使风能设备运行的方法最好只在平均风 速大于9m/s和小于约20m/s时使用。
上面以几个相互关联及也相互分开的方案示出本发明。上面的公开
决方案内容的在下面并列权利要求中可以找到其应用的几部分或一部 分和/或一个或多个优选的实施例也可以是另一按照本发明的解决方案 的特征，其中这个特征或这些特征没有直接在与这个解决方案相关的描 述中给出。
附图标记清单
10 风能设备
11 塔
12 转子
13 转子轴
14 转子叶片
15 运行控制器
15，运行控制器，具有组合的安全监控器
16 安全监控器
17 调节器
18 叶片调整器
19 机械制动器
20 安全链
21 电元件
22 快速轴
23 发电机(具有动子和定子)
24 传动器
25 电网
26 数据连接
27 数据连接
28 角度调整
29 》走转方向
30 故障信号
31 暴风
权利要求
1.一种使风能设备(10)运行的方法，其中风能设备(10)具有转子(12，13，22)、至少一个可调整角度的转子叶片(14)、用于制动转子(14)的机械制动装置(19)、运行控制装置(15，15’)以及安全系统(16，20)，该方法具有下面的方法步骤-在出现故障信号(30)以后以所述至少一个转子叶片(14)的小于8.5°/s的平均角度调整率通过角度调整(28)制动转子(12，13，22)，-只要转子(12，13，22)的转速超过可预给定的第一转速极限，通过机械制动装置(19)制动转子(12，13，22)，-只要转子(12，13，22)的转速超过可预给定的第二转速极限，就触发安全系统(18，20)，转子(12，13，22)被制动并且其中第二转速极限大于第一转速极限，其中在功能强大的风能设备(10)中也在与极大的出现可能性少于每三个月一次的暴风(31)相关联的发电机(23)卸载时第二转速极限不被超过。
2. —种使风能设备(10)运行的方法，其中风能设备(10)具有转 子(12, 13, 22)、至少一个可调整角度的转子叶片(14)、用于制动 转子(14)的机械制动装置(19)、运行控制装置(15, 15，)以及安全 系统(16, 20),该方法具有下面的方法步骤-在出现故障信号(30)以后以所述至少一个转子叶片(14)的小 于8.5°/s的平均角度调整率通过角度调整(28)制动转子(12, 13, 22),-只要转子(12, 13, 22)的转速超过可预给定的第一转速极限， 就通过机械制动装置(19)制动转子(12, 13, 22)，其中通过运行控 制装置(15， 15')触发机械制动，-只要转子(12, 13， 22)的转速超过可预给定的第二转速极限， 就触发安全系统(16, 20),其中制动转子(12, 13， 22)并且其中第 二转速极限大于第一转速极限。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在具有每年一次的 出现可能性的暴风(31)时第二转速极限不被超过。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述故障 信号(30)是超过小于第一转速极限的第三转速极限、发电机(23)的 卸载、电网(25)中故障和/或至少一个转子叶片(16)的角度调整器(16) 中的故障。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少 一个转子叶片(14)在出现故障信号(30)以后的角度调整率小于8°/s、 尤其是小于6.5。/s、尤其是小于4.67s。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，由附属于 运行控制装置(15, 15，)的调节装置(15, 15，)或独立的调节装置(17) 调节角度调整率。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在超过可 预给定的叶片角度时所述至少一个转子叶片(19)的角度调整率改变到 更小的角度调整率、尤其是小于原先的角度调整率一半、尤其是小于其 四分之一的角度调整率。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，第一转速 极限位于大于风能设备(10)的额定转速以上15%的范围中，该风能设 备具有尤其大于1.45MW的额定功率。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，第一转速极限位于风能 设备(IO)的额定转速以上的20至35%、尤其是22至28%之间。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，第二转 速极限位于风能设备(10)的额定转速以上的35%至45%的范围，该 风能设备具有尤其大于1.45MW的额定功率。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，第二 转速极限位于风能设备(10 )的第 一转速极限以上的5 %至20 %的范围。
12. 如权利要求4至11中任一项所述的方法，其特征在于，第三 转速极限位于风能设备(10)额定转速以上的10%至20%、尤其是15 %至17%的范围，该风能设备尤其具有大于1.45MW的额定功率。
13. 如权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，在低 于第四可预给定的转速极限时结束通过机械的制动装置(19)制动转子(12, 13, 22)。
14. 如权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，当平开始制动转子(12, 13， 22)可预给定时间被超过时，结束通过机械制 动装置(19)制动转子(12, 13, 22)。
15. —种使风能设备(10)运行的方法，其中风能设备(10)具有 转子(12, 13， 22)、至少一个可调整角度的转子叶片(14)、塔(ll)、运行控制装置(15, 15，)以及安全系统(16, 20),该方法具有下面的 方法步骤-通过运行控制装置(15， 15，)受调节或控制地运行风能设备用于 产生电压直到出现故障信号(30),-在出现故障信号时触发安全系统(16， 20)并且接着以在塔的一 半直到整个振动周期的时间段上获得的、尤其起始的、小于所以至少一 个转子叶片的6.57s的平均角度调整率通过角度调整(28)制动转子(12， 13, 22)。
16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，平均的角度调整率 小于6。/s、尤其是小于5。/s、尤其是4.6。/s。
17. 如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，角度调整率被 控制或调节并且随着叶片角度的不断加大和/或转速的减小进一步降低。
18. 如权利要求15至17中任一项所述的方法，其特征在于，在与 极大的暴风(31)相关联的发电机(23)卸载时出现故障信号(30), 其中暴风(31)的出现可能性小于每三个月一次、尤其是小于每年一次。
19. 风能设备(10)具有转子(12, 13, 22)、至少一个可调整角 度的转子叶片(14)、用于制动转子(12, 13, 22)的机械制动器(19)、 运行控制装置(15, 15，)以及安全系统(16, 20),其中具有第一制动 装置(18),它以小于8.5。/s的平均角度调整率在存在故障信号(20) 时通过所述至少一个转子叶片(14)的角度调整(28)制动转子(12, 13, 22),其中具有第二制动装置(19)用于机械制动转子(12, 13， 22)，只要转子(12, 13, 22)的转速超过可预给定的第一转速极限， 其中安全系统(16， 20)在转子(12, 13， 22)的转速超过可预给定的 笫二转速极限的情况下用于制动转子(12, 13, 22),其中第二转速极 限大于第一转速极限，其中设计第二转速极限和风能设备(10)的大小， 从而对于功能强大的风能设备(10)既使在与极大的其出现可能性少于 三个月 一次的暴风(31 )相关联的发电机卸载时第二转速极限不被超过。
20. 风能设备(10),具有转子(12, 13, 22)、至少一个可调整 角度的转子叶片(14)、用于制动转子(12, 13, 22)的机械制动器(19)、 运行控制装置(15, 15，)和安全系统(16, 20),其中具有第一制动装 置(18)，它以小于8.5°/s的平均角度调整率在存在故障信号(20)时 通过所述至少一个转子叶片(14)的角度调整(28)制动转子(12, 13，22)，其中具有用于机械制动转子U2， 13, 22)的第二制动装置(19)， 只要转子(12, 13， 22)的转速超过可预给定的第一转速极限，其中第 二制动装置(19)通过运行控制装置(15, 15，)触发，其中安全系统(16， 20)在转子(12, 13, 22)的转速超过可预给定的第二转速极限的情况 下用于制动转子(12, 13, 22),其中第二转速极限大于第一转速极限。
21. 如权利要求19或20所述的风能设备(10),其特征在于，对 于具有每年一次的出现可能性的暴风(31)第二转速极限不被超过。
22. 如权利要求19至21中任一项所述的风能设备(10 ),其特征 在于，所述故障信号(30)是超过小于第一转速极限的第三转速极限、 发电机(23)的卸载、电网(25)中故障和/或至少一个转子叶片(14) 的角度调整(28)中的故障。
23. 如权利要求19至22中任一项所述的风能设备(10),其特征 在于，所述至少一个转子叶片(14)在存在故障信号(30)时的角度调 整率调整为小于8。/s、尤其是小于6.5。/s、尤其是小于4.6。/s。
24. 如权利要求19至23中任一项所述的风能设备(10 ),其特征 在于，可由附属于运行控制装置(15， 15，)的调节装置(15, 15，)或 独立的调节装置(17)调节角度调整率。
25. 如权利要求19至24中任一项所述的风能设备(10),其特征 在于，在超过预给定的叶片角度时所述至少一个转子叶片(14)的角度 调整率改变到更小的角度调整率、尤其是小于原先的角度调整率一半、 尤其是小于其四分之一的角度调整率。
26. 如权利要求19至25中任一项所述的风能设备(10 ),其特征 在于，第一转速极限位于大于风能设备(10)的额定转速以上15%的范 围中，该风能设备尤其具有大于1.45MW的额定功率。
27. 如权利要求26所述的风能设备(10),其特征在于，第一转 速极限位于风能设备(10 )的额定转速以上的20至35 % 、尤其是22至 28 % 。
28. 如权利要求19至27中任一项所述的风能设备(10)，其特征 在于，第二转速极限位于风能设备(10)的额定转速以上的35%至45 %，该风能设备尤其具有大于1.45MW的额定功率。
29. 如权利要求19至28中任一项所述的风能设备(10 ),其特征 在于，第二转速极限位于风能设备(10)的第一转速极限以上的5%至 20%的范围中。
30. 如权利要求22至23中任一项所述的风能设备(10 ),其特征 在于，第三转速极限位于风能设备(10)额定转速以上的10%至20%、 尤其是15%至17%的范围中，该风能设备尤其具有大于1.45MW的额 定功率。
31. 如权利要求19至30中任一项所述的风能设备(10 ),其特征 在于，在低于第四可预给定的转速极限时可结束通过机械的制动装置(10)制动转子(12, 13, 22)。
32. 如权利要求22至31中任一项所述的风能设备(10)，其特征 在于，当平均的转子叶片角度超过可预给定的极限值并且自通过机械制 动装置(19)开始制动转子(12， 13， 22)可预给定时间被超过时，可 结束通过机械制动装置(19)制动转子(12, 13, 22)。
33. 风能设备(10),具有转子(12， 13， 22)、至少一个可调整 角度的转子叶片(14)、塔(11)、运行控制装置(15， 15')和安全系 统(16, 20),其中设置有运行控制装置(15, 15，)用于受调节或控制 地运行风能设备(10)用于产生电压直到出现故障信号(30),其中在 出现故障信号时和/或以后可触发安全系统(16, 20)并且通过安全系统(16, 20)以在塔一半至完全振动周期的时间段上获得的、尤其是开始 的、所述至少一个转子叶片的小于6.5°/s的平均角度调整率通过角度调 整(28)引起转子(12, 13, 22)的制动。
34. 如权利要求33所述的风能设备(10),其特征在于，平均的 角度调整率小于6。/s、尤其是小于5。/s、尤其是小于4.57s。
35. 如权利要求33或34所述的风能设备(10),其特征在于，可 角度调整率可控制或调节并且随着叶片角度的继续加大和/或转速的减 小可进一步降低。
36. 如权利要求33至35中任一项所述的风能设备(10 ),其特征 在于，在与极大的暴风(31)相关联的发电机(23)卸载时出现故障信 号(30),其中暴风(31)的出现可能性小于每三个月一次、尤其是小 于每年一次。
全文摘要
本发明涉及一种使风能设备(10)运行的方法，其中风能设备(10)具有一个转子(12，13，22)、至少一个可调整角度的转子叶片(14)、一个用于制动转子(14)的机械制动装置(19)、一个运行控制装置(15，15’)和一个安全系统(16，20)。本发明还涉及一个相应的风能设备(10)。按照本发明的方法的特征在于下面的方法步骤通过角度调整(28)以至少一个转子叶片(14)在出现故障信号(30)以后的小于8.5°/s的平均角度调整率制动转子(12，13，22)，只要转子(12，13，22)的转速超过预给定的第一转速极限，通过机械制动装置(19)制动转子(12，13，22)，只要转子(12，13，22)的转速超过预给定的第二转速极限，就触发安全系统(18，20)，其中第二转速极限大于第一转速极限，其中在功能强大的风能设备(10)中也在发电机(23)卸载时与极大的出现可能性少于每三个月一次的暴风(31)组合不超过第二转速极限。
文档编号F03D7/02GK101371037SQ200780002380
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月4日 优先权日2006年1月11日
发明者M·冯穆蒂厄斯, S·斯泰纳 申请人:再生动力系统股份公司