Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reglerstruktur für eine Windenergieanlage mit einem aerodynamischen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt, ein zugehöriges Regelverfahren sowie eine Windenergieanlage und einen Windpark.

Reglerstrukturen zum Betrieb von Windenergieanlagen sind bekannt. Am weitesten ver- breitet sind sogenannte pitchgesteuerte Windenergieanlagen, bei denen die Rotorblätter des Rotors der Windenergieanlage um ihre Längsachse, die sogenannte Pitchachse, verstellbar sind. Durch die Veränderung des Pitchwinkels wird eine aerodynamische Leistung der Rotorblätter verändert, wodurch eine Beschränkung der Leistung auf Nennleistung bei Erreichen des Nennwindes ermöglicht wird. Hierzu ist es bekannt, sogenannte Drehzahl- regier, wie sie schematisch in Fig. 2 gezeigt sind, vorzusehen, um eine Solldrehzahl N _Soll in etwa einzuhalten. Der Drehzahlregler 200 ist dazu ausgebildet, die Solldrehzahl N _Soll als Führungsgröße nach Möglichkeit einzuregeln, wobei eine von der Windenergieanlage 100 gemessene Ist-Drehzahl N _Ist zurückgeführt wird und die Abweichung mittels eines P- Reglers 210 und eines D-Reglers 220 in eine einzustellende Pitchrate umgesetzt wird. Die Pitchrate wird durch einen Pitchratenbegrenzer 230 begrenzt auf eine Sollpitchrate 240 eingestellt, die dann zum Betrieb der Windenergieanlage 100 verwendet wird.

Die Qualität der Regelung der Drehzahl beeinflusst unmittelbar die Schnittlasten wichtiger Komponenten der Windenergieanlage, wie beispielsweise des Turms und der Rotorblätter.

Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender An- meldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10062025 C1 , DE 2903819 A1 , DE 10213792 A1 , DE 102017105165 A1 , US 2014/0246855 A1 , US 2015/0130187 A1 , EP 2933477 B1. Vor diesem Stand der Technik war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Reglerstruktur der Drehzahlregelung bereitzustellen, die eine Reduktion der Lasten der Windenergieanlage ermöglicht.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch Reglerstruktur für eine Windenergie- anlage mit einem aerodynamischen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt gelöst, wobei die Reglerstruktur dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl des Rotors der Windenergieanlage zu regeln. Die Reglerstruktur ist als Kaskadenregelung ausgebildet und weist einen äußeren Regelkreis und einen inneren Regelkreis auf. Der innere Regelkreis erhält ein Eingangssignal, das eine Drehzahländerung, eine Drehzahlbeschleunigung, eine Funktion der Drehzahländerung und/oder eine Funktion der Drehzahlbeschleunigung umfasst.

Die Ausbildung der Drehzahlregelung als Kaskadenregelung ermöglicht, dass die langsame, äußere Drehzahlregelung im Ergebnis eine schnellere Regelung durch das Vorsehen des inneren Regelkreises, der eine schnell einregelbare Führungsgröße aufweist, ermöglicht. Damit wird die Grundlage geschaffen, auf die Windenergieanlage wirkende Las- ten wirksam zu reduzieren. Anders ausgedrückt, die träge Führungsgröße des äußeren Regelkreises wird beibehalten, die Geschwindigkeit des Reglers aber durch eine schnelle verändernde Führungsgröße des inneren Regekreises kompensiert.

In einer Ausführungsform ist eine Regelgröße des äußeren Regelkreises als Führungsgröße des inneren Regelkreises vorgesehen. Die Stellgröße des äußeren Regelkreises ist demnach eine Drehzahländerung, eine Drehzahlbeschleunigung, eine Funktion der Drehzahländerung und/oder eine Funktion der Drehzahlbeschleunigung.

In einer Ausführungsform ist der äußere Regelkreis dazu ausgebildet, einen Sollwert des inneren Regelkreises, insbesondere der Drehzahländerung, der Drehzahlbeschleunigung, der Funktion der Drehzahländerung und/oder der Funktion der Drehzahlbeschleunigung, zu begrenzen. Damit ist vorteilhafter Weise eine Begrenzung einer maximalen auf den Rotor wirkenden Beschleunigung sowie damit verbundener Lasten möglich.

In einer Ausführungsform umfasst das Eingangssignal des inneren Regelkreises eine Rotorbeschleunigungsleistung oder ein Rotorbeschleunigungsmoment, wobei die Rotorbeschleunigungsleistung oder das Rotorbeschleunigungsmoment den Teil einer von dem Ro- tor der Windenergieanlage aufgenommenen Leistung bzw. eines Drehmoments beschreibt, der in eine Beschleunigung des Rotors umgewandelt wird. Hier und im nachfolgenden werden die Begriffe„Leistung“ und„Moment“ austauschbar verwendet, da sie durch einfachste Umrechnungen unter Verwendung der Drehzahl ineinander überführbar sind. Demnach sind Beschreibungen und Vorteile, die beispielhaft mit Hinblick auf eine Leistung erläutert sind, ebenso für das zugehörige Moment gültig und anders herum.

In einer Ausführungsform umfasst das Eingangssignal des inneren Regelkreises eine von dem Rotor aufgenommene aerodynamische Leistung, wobei die von dem Rotor aufgenommene aerodynamische Leistung eine Summe aus einer Rotorbeschleunigungsleistung und wenigstens einer von einer weiteren Komponente der Windenergieanlage aufgenomme- nen Leistung, insbesondere eine Generatorleistung eines Generators der Windenergieanlage, umfasst, wobei die Rotorbeschleunigungsleistung den Teil einer von dem Rotor der Windenergieanlage aufgenommenen Leistung beschreibt, der in eine Beschleunigung des Rotors umgewandelt wird.

In einer Ausführungsform bestimmt der äußere Regelkreis eine Abweichung einer Ist-Dreh- zahl des Rotors von einer Soll-Drehzahl des Rotors als Regelabweichung.

Damit wirkt der äußere Regelkreis entsprechend einer konventionellen Drehzahlregelung der Windenergieanlage, wobei durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung als kaskadie- rende Regelung ein deutlich schnelleres Einregeln der gewünschten Größen ermöglicht wird. In einer Ausführungsform erzeugt der äußere Regelkreis einen Sollwert einer Leistung oder eines Momentes als Stellgröße. Vorzugsweise handelt es sich bei dieser Leistung um die Beschleunigungsleistung des Rotors respektive die aufgenommene aerodynamische Leistung. Analog ist die Betrachtung, wie erwähnt, statt mit Leistungen mit zugehörigen Momenten möglich. Der äußere Regelkreis erzeugt vorzugsweise als Sollwert immer die physikalische Größe, die als Eingangssignal für den inneren Regelkreis dient. Dieses physikalische Eingangssignal umfasst allgemein eine Drehzahländerung, eine Drehzahlbeschleunigung, eine Funktion der Drehzahländerung, eine Funktion der Drehzahlbeschleunigung umfasst, eine Rotorbeschleunigungsleistung, ein Rotorbeschleunigungsmoment und/oder eine aerody- namische Leistung. In einer Ausführungsform ist der Sollwert der Leistung nach oben und unten begrenzt. Damit wird eine übermäßige Regelung durch den inneren Regelkreis, die beispielsweise wiederum zu hohen Lasten führen kann, vermieden.

In einer Ausführungsform ist der Sollwert der Leistung nach oben und unten unsymmetrisch begrenzt. Damit kann beispielsweise eine Beschleunigungsleistung auf einen anderen Wert als die Bremsleistung beschränkt sein, was wiederum eine Reduzierung der Lasten, die maximal auftreten können, zur Folge hat.

In einer Ausführungsform umfasst die Leistung eine Rotorbeschleunigungsleistung, wobei die Rotorbeschleunigungsleistung auf eine Nennleistung der Windenergieanlage, insbe- sondere auf höchstens 20% der Nennleistung der Windenergieanlage, begrenzt ist. Durch die Begrenzung der Rotorbeschleunigungsleistung wird eine übermäßige durch die Beschleunigung wirkende Last vermieden.

In einer Ausführungsform umfasst die Leistung eine aerodynamische Rotorleistung, wobei die aerodynamische Rotorleistung auf das doppelte einer Nennleistung der Windenergie- anlage, insbesondere auf höchstens 120% der Nennleistung der Windenergieanlage, begrenzt ist. Die aerodynamische Rotorleistung umfasst insbesondere eine Summe der Generatorleistung und der Rotorbeschleunigungsleistung.

In einer Ausführungsform erzeugt der innere Regelkreis als Stellgröße einen Pitchwinkel oder eine Änderungsrate eines Pitchwinkels wenigstens eines der Rotorblätter des Rotors. Die Pitchwinkel bzw. -änderungsraten können individuell je Rotorblatt oder auch kollektiv für sämtliche Rotorblätter gemeinsam als Stellgröße bereitgestellt werden.

In einer Ausführungsform wird der Sollwert der Änderungsrate des Pitchwinkels begrenzt, insbesondere auf einen Wert zwischen -18 s und 187s und besonders bevorzugt auf einen Wert zwischen -57s und +57s. In einer Ausführungsform weisen der äußere Regelkreis und/oder der innere Regelkreis einen P-Regler auf.

Insbesondere dann, wenn als Sollwert ein Pitchwinkel ausgegeben wird, weist der innere Regelkreis alternativ oder zusätzlich einen I-Regler auf. Insbesondere kann der Regler auch als PI-Regler ausgebildet sein, vorteilhaft besonders dann, wenn der Ausgang ein Blattwinkel anstelle einer Pitchrate ist. In einer Ausführungsform weist die Reglerstruktur ferner eine Berechnungskomponente auf, die dazu eingerichtet ist, aus einer Änderung einer gemessenen Ist-Drehzahl der Windenergieanlage unter Verwendung der Rotorträgheit eine Rotorbeschleunigungsleistung zu bestimmen. In einer Ausführungsform weist die Reglerstruktur ferner eine Vorsteuerung zum Vorsteuern eines Pitchwinkels wenigstens eines Rotorblattes auf, die dazu eingerichtet ist, parallel zu dem inneren Regelkreis einen Pitchwinkel und/oder eine Änderungsrate des Pitchwinkels vorzugeben.

Die aerodynamische Soll-Leistung bzw. die Soll-Rotorbeschleunigung ermöglicht daraus die Bestimmung eines Soll-Blattwinkels bzw. Soll-Pitchwinkels, beispielsweise um vor starken, sich ankündigenden Böen vorsteuern zu können, der sich zusammen mit dem Ist- Blattwinkel bzw. Ist-Pitchwinkel zu einer Vorsteuerpitchrate verrechnet.

Vorzugsweise laufen beide Pitchraten, das heißt die Änderungsrate des Pitchwinkels aufgrund des inneren Regelkreises sowie die Änderungsrate des Pitchwinkels aufgrund der Vorsteuerung, parallel, so dass diese überlagert werden. Eine Sache der Auslegung der Windenergieanlage ist es dann zu bestimmen, welche der beiden vorgegebenen Raten in welcher Weise durch die Anlage umgesetzt wird. Durch die in diesem Aspekt vorgesehene Vorsteuerung ist es möglich, Extremlasten, wie sie insbesondere bei Böen auftreten, zumindest teilweise abzufangen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem aerodynamischen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt gelöst, wobei das Verfahren dazu ausgebildet ist, eine Drehzahl des Rotors der Windenergieanlage zu regeln. Das Verfahren ist als Kaskadenregelung ausgebildet und weist einen äußeren Regelkreis und einen inneren Regelkreis auf, wobei das Ver- fahren den folgenden Schritt aufweist: Erlangen, durch den inneren Regelkreis, eines Eingangssignals, das eine Drehzahländerung, eine Drehzahlbeschleunigung, eine Funktion der Drehzahländerung und/oder eine Funktion der Drehzahlbeschleunigung umfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die gleichen Vorteile, wie sie für die erfindungsgemäße Reglerstruktur beschrieben sind, zu erreichen. Ebenso ist das Verfahren analog und mit damit verbundenen Vorteilen mit den erfindungsgemäß als bevorzugt beschriebenen Ausgestaltungen kombinierbar. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Reglerstruktur gelöst.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Windpark mit mehreren erfindungsgemäßen Windenergieanlagen gelöst. Weitere Vorteile und beispielhafte Ausführungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 schematisch und exemplarisch eine Windenergieanlage,

Fig. 2 schematisch und exemplarisch eine Reglerstruktur für Drehzahlregler von

Windenergieanlagen und Fig. 3 schematisch und exemplarisch eine erfindungsgemäße Reglerstruktur.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf dem Turm 102 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 vorgesehen. Der aerodynamische Rotor 106 wird im Betrieb der Wind- energieanlage durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und dreht somit auch einen elektrodynamischen Rotor oder Läufer eines Generators, welcher direkt oder indirekt mit dem aerodynamischen Rotor 106 gekoppelt ist. Der elektrische Generator ist in der Gondel 104 angeordnet und erzeugt elektrische Energie. Die Pitchwinkel der Rotorblätter 108 können durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden.

Fig. 3 zeigt schematisch und exemplarisch eine erfindungsgemäße Reglerstruktur 300 für eine Windenergieanlage 100, wie sich beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist. Die Reglerstruktur 300 ist als Kaskadenregelung ausgebildet und weist einen äußeren Regelkreis 310 und einen inneren Regelkreis 350 auf. Die Reglerstruktur 300 regelt eine Drehzahl in der Wind- energieanlage auf einen Sollwert N _Soll . Hierzu vergleicht der äußere Regelkreis 310 die Ist-Drehzahl N _Ist mit der einzuregelnden Solldrehzahl N _Soll und erzeugt einen Sollwert 340 der Rotorbeschleunigungsleistung P _{Beschleu SoU} mittels eines durch einen Begrenzer 330 begrenzten Signals eines P-Reglers 320. Der innere Regelkreis 350 regelt nun auf die Rotorbeschleunigungsleistung P _BescMeu und versucht demnach, die Rotorblätter der Windenergieanlage 100 derart zu stellen, dass der Rotor 106 möglichst wenig beschleunigt. Hierzu wird mittels einer Berechnungseinheit 380 beispielsweise anhand der der zeitlichen Änderung der Rotordrehzahl dN _bt I dt durch eine Berechnungseinheit 380 eine Ist-Beschleunigungsleistung P _BescMeu bestimmt. Der Unterscheid zwischen dem Sollwert 340 der Beschleunigungsleistung P _{Beschleu Soü} und dem ermittelten Ist-Wert P _BescMeu wird mit einem P-Regler 360 in eine einzustellende Pitchrate bzw. einen einzustellenden Blattwinkel der Rotorblätter 108 umgerechnet. Durch einen Begrenzer 370 wird die einzustellende Pitchrate bzw. der einzustellende Pitchwinkel be- grenzt, der dann als Sollwert 390 an die Steuerung der Windenergieanlage 100 übergeben wird.

Die Berechnungseinheit 380 greift in diesem Beispiel auf bekannte physikalische Zusammenhänge zwischen dem für den Rotor bekannten Trägheitsmoment J , einem Drehmo- ment und Drehzahl bzw. daraus abgeleitet Winkelgeschwindigkeit w zurück, um aus der Änderung der Drehzahl die Ist-Beschleunigungsleistung P _BescMeu zu berechnen.

Anstelle der Rotorbeschleunigungsleistung, wie sie in dem Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist auch möglich, die gesamte vom Rotor aufgenommene aerodynamische Leistung, das heißt unter zusätzlicher Betrachtung zu der vom Generator aufgenommenen Leistung, zu verwenden. Ein Vorteil der Rotorbeschleunigungsleistung ist in vielen Fällen, dass die Größe häufig für in Steuerung von Windenergieanlagen 100 eingesetzte Windschätzer üblicherweise bereits zur Verfügung steht, das heißt eine weitergehende Adaption der Steuerung der Windenergieanlage 100 nicht erforderlich ist. Es genügt demnach lediglich den bekannten Drehzahlregler durch eine erfindungsgemäße Reglerstruktur 300 zu ersetzen. Windschätzer sind beispielsweise aus der deutschen Patentveröffentlichung DE 10 2017 105 165 A1 bekannt.

Alternativ zu Leistungen lässt sich die beispielhaft dargelegte Reglerstruktur 300 auch mit Momenten bzw. nach der Zeit abgeleiteten Drehzahlen implementieren. Diese Lösungen sind identisch bis auf den Aspekt, dass die aktuelle Drehzahl in die Beschleunigungsleistung mit eingeht. Es ist allerdings hinreichend bekannt, wie Leistungen in Momente und umgekehrt umzurechnen sind. Der innere Regelkreis 350 würde für sich alleine genommen mit der Zeit zu starken Drehzahlfehlern führen, so dass der äußere Regelkreis 310, der deutlich langsamer und träger reagiert, einen Sollwert für die Beschleunigungsleistung, der von 0 kW abweichen kann, generiert. Herrscht beispielsweise eine Überdrehzahlsituation vor, das heißt, dass die Ist- Drehzahl N _Ist größer als die Solldrehzahl N _Soll ist, wäre der Sollwert 340 beispielsweise -200 kW. Der innere Regelkreis 350 würde in diesem Fall eine ungefähre Rotorbeschleunigungsleistung P _BescMeu von -200 kW einregeln, so dass der Rotor 106 im Ergebnis Drehzahl abbaut.

Die Begrenzung der Ausgabe des Drehzahlreglers durch die Begrenzer 330 bzw. 370 er- möglicht, dass die maximale Beschleunigungsleistung beschränkt ist, was ebenfalls lastreduzierend wirkt.

Besonders vorteilhaft lässt sich die in Fig. 3 schematisch gezeigte Reglerstruktur 300 um eine parallel zu dem inneren Regelkreis 350 angeordnete Vorsteuerung ergänzen. Die Vorsteuerung kann beispielsweise auf sich ankündigende Böen vorsteuern und demnach in Ergänzung zu der Regelung aktiv in die Pitchwinkelansteuerung eingreifen. Damit können besonders wirksam auftretende Extremlasten, wie sie die Folge von starken Böen sind, vermieden werden.

Zusammengefasst bedeutet die erfindungsgemäße Reglerstruktur demnach eine Reglerstruktur 300 zum Regeln der Drehzahl auf einen Drehzahlsollwert N _Soll . Der inneren Regelkreis 350 erhält die vom Rotor 106 aufgenommene aerodynamische Leistung bzw. die Beschleunigungsleistung oder vereinfacht auch lediglich die Rotorbeschleunigung als Regelgröße, wobei die Pitchrate oder alternativ auch ein Sollrotorblattwinkel als Stellgröße dient. Der äußere Regelkreis 310 regelt als Regelgröße die Rotordrehzahl N , wobei ein Sollwert der aerodynamischen Leistung, der Beschleunigungsleistung oder auch der Soll- rotorbeschleunigung als Stellgröße für den inneren Regelkreis 350 generiert werden.