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Title:
METHOD FOR DETERMINING A YAW ANGLE ERROR IN A WIND POWERPLANT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/149718
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for determining a yaw angle error (αg) in a wind powerplant (1) having a rotor which is mounted in a gondola (14) so as to be rotatable about a rotor axis (2) and which has one or more rotor blades (3a, 3b, 3c), wherein the gondola (14) is rotatable about a yaw axis (12). In order to determine the yaw angle error (αg) in a particularly easy way, there is provision according to the invention that the yaw angle error (αg) is determined on the basis of a cyclic power drop (8) of measured power, which is output by the wind powerplant, compared to an expected value, wherein a period length of the cyclic power drop corresponds at maximum to a duration of one complete revolution of the rotor about the rotor axis (2). The invention also relates to an apparatus for carrying out a method of this kind. In addition, the invention relates to a computer program product, designed to carry out such a method, and to a computer-readable data carrier.

Inventors:
GRAY, Christopher (Waldsdorfstrasse 33, 8051 Thal, AT)
LANGMAYR, Franz (Karl-Morre-Strasse 100, 8020 GRAZ, AT)
Application Number:
AT2016/050047
Publication Date:
September 29, 2016
Filing Date:
March 02, 2016
Export Citation:
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Assignee:
UPTIME HOLDING GMBH (Schönaugasse 7/2, 8010 Graz, AT)
International Classes:
F03D7/02; F03D17/00
Foreign References:
US20130325373A12013-12-05
Other References:
FADAEINEDJAD R ET AL: "The Impact of Tower Shadow, Yaw Error, and Wind Shears on Power Quality in a Wind-Diesel System", IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 24, no. 1, 1 March 2009 (2009-03-01), pages 102 - 111, XP011250242, ISSN: 0885-8969
FARRET F A ET AL: "Sensorless active yaw control for wind turbines", IECON'01. PROCEEDINGS OF THE 27TH. ANNUAL CONFERENCE OF THE IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY. DENVER, CO, NOV. 29 - DEC. 2, 2001; [ANNUAL CONFERENCE OF THE IEEE INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY], NEW YORK, NY : IEEE, US, vol. 2, 29 November 2001 (2001-11-29), pages 1370 - 1375, XP010572977, ISBN: 978-0-7803-7108-8, DOI: 10.1109/IECON.2001.975981
None
Attorney, Agent or Firm:
WIRNSBERGER, Gernot (Mühlgasse 3, 8700 Leoben, AT)
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Claims:
Ansprüche

1 . Verfahren zur Ermittlung eines Gierwinkelfehlers (ag) bei einer Windkraftanlage (1 ) mit einem um eine Rotorachse (2) drehbar in einer Gondel (14) gelagerten Rotor mit einem oder mehreren Rotorblättern (3a, 3b, 3c), wobei die Gondel (14) um eine

Gierachse (12) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierwinkelfehler (ag) anhand eines zyklischen Leistungsabfalles (8) einer von der Windkraftanlage

abgegebenen, gemessenen Leistung (6) gegenüber einem Erwartungswert (7) bestimmt wird, wobei eine Periodendauer (tp) des zyklischen Leistungsabfalles (8) maximal einer Dauer (td) einer vollständigen Umdrehung des Rotors um die Rotorachse (2) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotorwinkel gemessen und zur Bestimmung des Gierwinkelfehlers (ag) ein zyklischer

Leistungsabfall (8) herangezogen wird, welcher dann ein Maximum erreicht, wenn sich ein Rotorblatt (3a, 3b, 3c) etwa in einer 12-Uhr-Position befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Bestimmung des Gierwinkelfehlers (ag) anhand eines zyklischen Leistungsabfalles (8) erfolgt, wobei die Dauer (td) einer vollständigen Umdrehung des Rotors um die

Rotorachse (2) einem ganzzahligen Vielfachen einer Periodendauer (tp) des zyklischen Leistungsabfalles (8), insbesondere dem N-fachen oder dem 2N-fachen der

Periodendauer (tp) des zyklischen Leistungsabfalles (8), wobei N einer Anzahl der Rotorblätter (3a, 3b, 3c) des Rotors entspricht. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gierwinkelfehler (ag) korrigiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gierwinkel durch Rotation der Gondel (14) um die Gierachse (12) verändert wird, bis der zyklische Leistungsabfall (8) ein Minimum erreicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gondel (14) in regelmäßigen Abständen aus einer aktuellen Betriebsposition um die Gierachse (12) gedreht und dabei eine Änderung des zyklischen Leistungsabfalles (8) analysiert wird, um eine optimale Ausrichtung der Gondel (14) auch bei Änderung einer Windrichtung (13) zu erreichen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Gierwinkelfehlers (ag) historische Daten betreffend den zyklischen

Leistungsabfall (8) herangezogen und mit dem gemessenen Leistungsabfall (8) verglichen werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Analyse einer von einer

Windkraftanlage (1 ), welche einen um eine Rotorachse (2) drehbaren Rotor aufweist, abgegebenen Leistung (6) und zur auf einem zyklischen Leistungsabfall (8) der gemessenen Leistung (6) gegenüber einem Erwartungswert (7) basierenden Bestimmung eines Gierwinkelfehlers (ag) ausgebildet ist, wobei eine Periodendauer (tp) des zyklischen Leistungsabfalles (8) maximal einer Dauer (td) einer vollständigen Umdrehung des Rotors um die Rotorachse (2) entspricht.

9. Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung eines

Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf einem Computer, wenn der

Programmcode vom Computer ausgeführt wird.

10. Computerlesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogramm zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auf einem Computer gespeichert ist.

Description:
Verfahren zur Ermittlung eines Gierwinkelfehlers bei einer Windkraftanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Gierwinkelfehlers bei einer Windkraftanlage mit einem um eine Rotorachse drehbar in einer Gondel gelagerten Rotor mit einem oder mehreren Rotorblättern, wobei die Gondel um eine Gierachse drehbar ist.

Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen

Verfahrens. Ferner betrifft die Erfindung ein zur Ausführung eines derartigen Verfahrens ausgebildetes Computerprogrammprodukt sowie einen computerlesbaren Datenträger.

Aus dem Stand der Technik sind Windkraftanlagen mit einem um eine etwa horizontale Rotorachse drehbaren Rotor bekannt geworden, welche ein oder mehrere Rotorblätter aufweisen. Häufig werden derartige Windkraftanlagen mit drei Rotorblättern ausgebildet. Um auch bei wechselnden Windbedingungen wie einer wechselnden Windrichtung ein Leistungsoptimum zu erreichen, ist bei einer derartigen Windkraftanlage eine Rotorachse des Rotors über eine um eine etwa vertikale Gierachse drehbare Gondel in einem Mast gelagert, welcher mit einem Untergrund starr verbunden ist. Dadurch kann bei einer sich ändernden Windrichtung der Rotor bzw. die Rotorachse durch Drehen der Gondel um die Gierachse der Windrichtung nachgeführt werden, sodass die Rotorachse stets etwa parallel zu einer Windrichtung bzw. eine auf die Rotorachse senkrechte Rotationsebene der Rotorblätter etwa senkrecht zur Windrichtung ist. Dadurch kann auch bei einer Änderung der Windrichtung eine optimale Leistungsausbeute erreicht werden.

Eine Änderung der Windrichtung führt ohne Nachführung der Gondel durch Drehung um die Gierachse zu einem Gierwinkelfehler, bei welchem die Windkraftanlage nicht optimal auf einen auf die Windkraftanlage wirkenden Wind ausgerichtet ist. Dadurch sinkt die erzielbare Leistung.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur windrichtungsabhängigen Ausrichtung der Gondel bekannt geworden, um einen Gierwinkelfehler zu beseitigen bzw. zu vermeiden. Beispielsweise kann eine Windrichtung mit in einem entsprechenden Abstand von der Windkraftanlage angeordneten Sensoren gemessen werden, um die Gondel in weiterer Folge basierend auf dabei ermittelten Messwerten optimal

auszurichten. Hierzu sind jedoch zusätzliche Sensoren sowie Einrichtungen zur

Datenübertragung und Auswertung erforderlich, wodurch dieses Verfahren nur mit großem Aufwand umsetzbar ist.

Des Weiteren sind auf einer Rotornabe positionierte Ultraschallsensoren zur Bestimmung einer Windgeschwindigkeit vor dem Rotor bekannt geworden, um die Windkraftanlage entsprechend der Windrichtung auszurichten. Nachteilig ist auch bei diesem Verfahren ein großer Aufwand, welcher durch die auf der Rotornabe positionierten Sensoren bedingt ist. Darüber hinaus wirken Turbulenzen im Bereich der Rotornabe aufgrund einer

Strömungsaufteilung negativ auf eine Qualität des Messergebnisses, sodass nur eine unzureichende Genauigkeit erreicht wird.

Des Weiteren ist ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem der Gierwinkel der Gondel verändert wird, bis eine von der Windkraftanlage abgegebene Leistung ein Maximum erreicht. Da die von der Windkraftanlage abgegebene Leistung neben dem Gierwinkel auch von weiteren Faktoren beeinflusst ist, beispielsweise einem optimalen Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter, kann mit diesem Verfahren allerdings nicht gewährleistet werden, dass die Windkraftanlage tatsächlich optimal zu einer Windrichtung ausgerichtet ist. Beispielsweise kann ein Anstellwinkelfehler bei den Rotorblättern dazu führen, dass ein lokales Maximum der Leistung bei einem Gierwinkel erreicht wird, bei welchem die Rotorachse nicht parallel zur Windströmung bzw. die Rotationsebene nicht senkrecht zur Windrichtung ausgerichtet ist, sodass ein Gierwinkelfehler gleichzeitig mit einem scheinbaren Leistungsmaximum vorliegt. Eine weitere Erhöhung der erzielbaren Leistung wäre in dem Fall jedoch durch eine gierwinkelfehlerfreie Ausrichtung der Gondel einerseits und Optimierung der Anstellwinkel der Rotorblätter andererseits möglich. Dies ist allerdings mit diesem Verfahren des Standes der Technik nicht möglich. Im Gegenteil kann das Verfahren auch zu einer Auslenkung der Gondel aus einer gierwinkelfehlerfreien Position führen, wenn dadurch Anstellwinkelfehler der einzelnen Rotorblätter teilweise kompensiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Gierwinkelfehler der Windkraftanlage auf besonders einfache Weise zuverlässig bestimmt werden kann. Ferner soll eine Vorrichtung zur Umsetzung eines derartigen Verfahrens angegeben werden.

Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Gierwinkelfehler anhand eines zyklischen Leistungsabfalles einer von der Windkraftanlage abgegebenen, gemessenen Leistung gegenüber einem Erwartungswert bestimmt wird, wobei eine Periodendauer des zyklischen

Leistungsabfalles maximal einer Dauer einer vollständigen Umdrehung des Rotors um die Rotorachse entspricht.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine Auslenkung der Gondel aus einer optimalen Betriebsposition, in welcher die Rotorachse des Rotors zumindest in einer Draufsicht nicht parallel zur Windrichtung ist, sodass ein Gierwinkelfehler vorliegt, dadurch auf einfache Weise bestimmt werden kann, dass ein zyklischer Leistungsabfall der gemessenen Leistung gegenüber einem Erwartungswert ermittelt wird. Der

Erwartungswert entspricht einer abgegebenen Leistung einer optimal ausgerichteten Windkraftanlage bei entsprechenden Umgebungsbedingungen der Windkraftanlage wie einer Windgeschwindigkeit, einer Temperatur und dergleichen. In der Regel werden Umgebungsbedingungen, insbesondere die Windgeschwindigkeit, sowie die abgegebene Leistung der Windkraftanlage ständig gemessen, und zwar mit einer Abtastrate, welche zumindest einer Zeitkonstante der Windgeschwindigkeit entspricht. Dadurch kann auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen stets eine Blattverstellung bestimmt werden.

Der zyklische Leistungsabfall ist bedingt durch eine mit dem Gierwinkelfehler

einhergehende fehlerhafte Ausrichtung der Rotorblätter, welche sich besonders dann auswirkt, wenn die Rotorblätter etwa senkrecht ausgerichtet sind. So ergibt sich ein Anstellwinkel eines etwa senkrecht stehenden Rotorblattes gegenüber der Windströmung als die Summe eines Anstellwinkels, welchen eine Sehne des Profils des Rotorblattes mit der Rotorachse einschließt, und einem Gierwinkelfehler, um welchen die Rotorachse gegenüber der Windströmung ausgelenkt ist. Dabei wird der Gierwinkelfehler in einem Bereich oberhalb der Rotorachse positiv zum Anstellwinkel und in einem Bereich unter der Rotorachse negativ zum Anstellwinkel des jeweiligen Rotorblattes addiert. Es führt somit ein Gierwinkelfehler zu einem von einem Auslenkungswinkel des jeweiligen Rotorblattes abhängigen Anstellwinkelfehler des Rotorblattes gegenüber einer Windströmung, welcher maximal ist, wenn eine Längsachse des Rotorblattes senkrecht steht bzw. parallel zur Gierachse ist. Dieser, sich mit einem Auslenkungswinkel der Rotorblätter ändernde Anstellwinkelfehler bewirkt einen dem Anstellwinkelfehler entsprechenden und sich ebenfalls mit dem Auslenkungswinkel bzw. dem Rotorwinkel ändernden zyklischen Leistungsabfall. Dadurch kann anhand eines ermittelten zyklischen Leistungsabfalles auf einen Gierwinkelfehler geschlossen werden.

Der zyklische Leistungsabfall, welcher einer Differenz zwischen der gemessenen Leistung und einem Erwartungswert entspricht, erreicht in der Regel dann ein Maximum, wenn sich ein Rotorblatt in einer 12-Uhr-Position befindet, in welcher das Rotorblatt etwa vertikal steht und oberhalb der Rotorachse angeordnet ist. Diese Position kann auch als maximale Höhenposition des Rotorblattes bezeichnet werden, weil das Rotorblatt in dieser Position eine maximale Höhe bzw. einen maximalen Bodenabstand erreicht. Der Effekt tritt wie vorstehend ausgeführt auch dann auf, wenn sich das Rotorblatt in einer 6- Uhr-Position befindet, in welcher das Rotorblatt bzw. eine Längsachse des Rotorblattes etwa vertikal ausgerichtet unter der Rotorachse angeordnet ist. Allerdings ist der

Leistungsabfall in dieser Position geringer als in der 12-Uhr-Position, da derartige

Windkraftanlagen in der Regel in einer Grenzschicht betrieben werden, in welcher die Windgeschwindigkeit mit zunehmendem Bodenabstand zunimmt. Folglich ist auch ein Leistungsabfall abhängig von einem Bodenabstand des jeweiligen Rotorblattes und nimmt mit steigendem Bodenabstand zu. Es hat sich daher bewährt, dass ein Rotorwinkel gemessen und zur Bestimmung des Gierwinkelfehlers ein zyklischer Leistungsabfall herangezogen wird, welcher dann ein Maximum erreicht, wenn sich ein Rotorblatt etwa in einer 12-Uhr-Position befindet. Anhand des gemessenen Rotorwinkels können auf einfache Weise Positionen der einzelnen Rotorblätter sowie die Dauer einer Umdrehung des Rotors um die Rotorachse bestimmt werden.

Ein durch einen Gierwinkelfehler bedingter Leistungsabfall eines einzelnen Rotorblattes gegenüber einem Erwartungswert für einen Leistungsbeitrag des Rotorblattes erreicht dann ein Minimum, wenn sich das Rotorblatt in einer etwa horizontalen Position befindet bzw. in einer 3-Uhr-Position und einer 9-Uhr-Position. In diesen Positionen addiert sich ein Gierwinkelfehler nicht zu einem Anstellwinkel, da hier die Gierachse senkrecht auf die Längsachse des Rotorblattes steht. Eine zumindest geringe Leistungsreduktion ergibt sich in diesen Positionen dennoch, da eine Längsachse des Rotorblattes in dieser Position nicht senkrecht auf die

Windgeschwindigkeit bzw. eine Windrichtung ausgerichtet ist, sodass sich eine Reduktion der in Windrichtung projizierten Fläche des Rotorblattes ergibt. Weil in der Regel der in der 12-Uhr-Position auf das Rotorblatt wirkende Effekt der Überlagerung von

Anstellwinkel und Gierwinkel dominiert, erreicht der zyklische Leistungsabfall der Leistung gegenüber dem Erwartungswert bei einer Windkraftanlage mit drei um 120° versetzten Rotorblättern üblicherweise bei einer Rotorposition ein Minimum, wenn eines der

Rotorblätter etwa horizontal ausgerichtet ist und die beiden weiteren Rotorblätter jeweils einen Winkel von 60° mit einer Horizontalen einschließen. Insbesondere wenn der

Erwartungswert konstant ist, erreicht die von der Windkraftanlage abgegebene Leistung in dieser Rotorposition ein Maximum.

Da ein durch einen Gierwinkelfehler bedingter Leistungsabfall immer dann minimal ist, wenn sich eines der Rotorblätter etwa in einer horizontalen Position befindet und dies zweimal pro Umdrehung erfolgt, hat es sich bewährt, dass die Bestimmung des

Gierwinkelfehlers anhand eines zyklischen Leistungsabfalles erfolgt, wobei die Dauer einer vollständigen Umdrehung des Rotors um die Rotorachse einem ganzzahligen Vielfachen einer Periodendauer des zyklischen Leistungsabfalles, insbesondere dem N- fachen oder dem 2N-fachen der Periodendauer des zyklischen Leistungsabfalles, wobei N einer Anzahl der Rotorblätter des Rotors entspricht.

Wird die Windkraftanlage in einer Strömung mit homogener Windgeschwindigkeit betrieben oder ist ein Effekt einer bodennahen Grenzschicht vernachlässigbar, tritt ein maximaler Leistungsabfall immer dann auf, wenn sich eines der Rotorblätter in einer 12- Uhr-Position oder einer 6-Uhr-Position befindet. In dem Fall entspricht eine Frequenz, mit welcher der zyklische Leistungsabfall fluktuiert, der 2N-fachen Rotordrehzahl. Analog entspricht die Dauer einer Umdrehung des Rotors dem 2N-fachen einer Periodendauer der Fluktuation des zyklischen Leistungsabfalles.

Ist jedoch ein durch die Grenzschicht bedingter Effekt auf die erzeugte Leistung nicht vernachlässigbar, tritt nur dann ein maximaler Leistungsabfall auf, wenn sich eines der Rotorblätter in der 12-Uhr-Position befindet, während ein aufgrund der Grenzschicht reduzierter Leistungsabfall auftritt, wenn sich eines der Rotorblätter in der 6-Uhr-Position befindet. Der zyklische Leistungsabfall weist somit zwei abwechselnde Halbwellen mit unterschiedlichen Amplituden auf, sodass eine Periodendauer einer sich ständig wiederholenden Fluktuation einer Dauer einer Umdrehung des Rotors geteilt durch N entspricht bzw. eine Frequenz der Fluktuation dem N-fachen der Rotordrehzahl.

Üblicherweise wird ein im erfindungsgemäßen Verfahren bestimmter Gierwinkelfehler korrigiert. Hierzu wird die Gondel in eine Position gebracht, in welcher kein

Gierwinkelfehler mehr vorliegt bzw. in welcher der zyklische Leistungsabfall verschwindet. Es kann auch ein geschlossener Regelkreis gebildet werden, in welchen der zyklische Leistungsabfall als Istwert eingeht, wobei ein Sollwert Null beträgt. Basierend auf einer Differenz des Istwertes vom Sollwert bzw. dem zyklischen Leistungsabfall wird dabei ein Antrieb zur Rotation der Gondel um die Gierachse als Stellglied betätigt, um den

Gierwinkel als Stellgröße zu verändern. Dadurch wird auch bei wechselnden

Windbedingungen ein minimaler Gierwinkelfehler erreicht, welcher die Regelgröße bildet. Dadurch kann ein dauerhafter bzw. kontinuierlicher Betrieb mit minimalem

Gierwinkelfehler und somit optimaler Effizienz gewährleistet werden.

Zur Erreichung einer gierwinkelfehlerfreien Betriebsposition bzw. einer Betriebsposition, an welcher der Gierwinkelfehler 0° beträgt, hat es sich bewährt, dass ein Gierwinkel durch Rotation der Gondel um die Gierachse verändert wird, bis der zyklische Leistungsabfall ein Minimum erreicht. Es wird dabei die Gondel mit geringer Rotationsgeschwindigkeit um die Gierachse in verschiedene Richtungen rotiert, bis ein Minimum des zyklischen Leistungsabfalles erreicht ist. Sofern dabei nicht gleichzeitig ein Maximum der

abgegebenen Leistung erzielt wird, kann ausgeschlossen werden, dass dies auf einen Gierwinkelfehler zurückzuführen ist, sodass beispielsweise über gezielte Justierung der Anstellwinkel der Rotorblätter eine weitergehende Optimierung erreicht werden kann.

Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Gondel in regelmäßigen Abständen aus einer aktuellen Betriebsposition um die Gierachse gedreht und dabei eine Änderung des zyklischen Leistungsabfalles analysiert wird, um eine optimale Ausrichtung der Gondel auch bei Änderung einer Windrichtung zu erreichen. Die Gondel wird dabei um einen geringen Gierwinkel aus einer aktuellen Betriebsposition in beide Richtungen verdreht. Sofern sich bei Rotation der Gondel in eine der beiden Richtungen eine Reduktion des zyklischen Leistungsabfalles ergibt, wird die in der Regel durch einen Antrieb angetriebene Gondel weiter um die Gierachse rotiert, bis abermals ein Betriebspunkt ermittelt wird, in welchem der zyklische Leistungsabfall ein Minimum erreicht.

Günstig ist es, wenn zur Bestimmung des Gierwinkelfehlers historische Daten betreffend den zyklischen Leistungsabfall herangezogen und mit dem gemessenen Leistungsabfall verglichen werden. So kann bei ausreichender Datenqualität basierend auf den gemessenen und historischen Daten bereits eine Aussage über einen erforderlichen Korrekturwinkel in Betrag und Richtung getroffen werden, um eine optimale

Betriebsposition ohne Gierwinkelfehler zu erreichen. Alternativ oder ergänzend können auch auf einer Simulation basierende Daten zur Bestimmung eines Korrekturwinkels herangezogen werden. Der Erwartungswert, gegenüber welchem der Leistungsabfall basierend auf der gemessenen Leistung ermittelt wird, kann sich ebenfalls einerseits aus bekannten Betriebsdaten bei einer definierten Windgeschwindigkeit, einer Simulation oder einer Kombination aus Messdaten und Simulationsdaten ergeben.

Die weitere Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche zur Analyse einer von einer Windkraftanlage, welche einen um eine Rotorachse drehbaren Rotor aufweist, abgegebenen Leistung und zur auf einem zyklischen

Leistungsabfall der gemessenen Leistung gegenüber einem Erwartungswert basierenden Bestimmung eines Gierwinkelfehlers ausgebildet ist, wobei eine Periodendauer des zyklischen Leistungsabfalles maximal einer Dauer einer vollständigen Umdrehung des Rotors um die Rotorachse entspricht.

In der Regel wird die Vorrichtung bei einer Windkraftanlage mit drei Rotorblättern eingesetzt, wenngleich die Vorrichtung auch bei einer Windkraftanlage mit mehr oder weniger Rotorblättern eingesetzt werden kann. Weiter kann die Vorrichtung auch Teil einer entsprechenden Windkraftanlage sein.

Die Vorrichtung kann auch mit einer Datenbank verbunden sein oder diese enthalten, um aus historischen Daten in Verbindung mit einem aktuell gemessenen Leistungsabfall einen Korrekturwinkel zu bestimmen, um welchen die Gondel um die Gierachse rotiert werden muss, um eine optimale Betriebsposition zu erreichen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Computer vorgesehen, wenn der Programmcode vom Computer ausgeführt wird. Dabei wird eine von der Windkraftanlage abgegebene Leistung in Bezug auf den zyklischen Leistungsabfall gegenüber dem Erwartungswert analysiert und anhand des zyklischen Leistungsabfalles der Gierwinkelfehler ermittelt. Ein ermittelter Gierwinkelfehler kann in weiterer Folge beispielsweise grafisch ausgegeben werden. Weiter kann auch eine automatische Korrektur erfolgen, wenn der Computer mit der Windkraftanlage entsprechend verbunden ist. Die gemessene Leistung kann in Echtzeit mittels des Computers analysiert werden, sodass eine Online-Überwachung des Gierwinkelfehlers möglich ist. Alternativ kann die Analyse auch mit gespeicherten Daten durchgeführt werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht einen computerlesbaren Datenträger vor, auf dem ein Computerprogramm, insbesondere ein Computerprogrammprodukt wie vorstehend ausgeführt, zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens auf einem Computer gespeichert ist.

Weitere Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich anhand des nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiels. In den Zeichnungen, auf weiche dabei Bezug genommen wird, zeigen:

Fig. 1 eine Windkraftanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 und 3 Diagramme, welche insbesondere gemessene Leistungen zur Bestimmung eines Gierwinkelfehlers zeigen.

Fig. 1 zeigt eine Windkraftanlage 1 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen

Verfahrens. Die Windkraftanlage 1 weist einen üblicherweise in einer Drehrichtung 10 drehbaren Rotor mit einer etwa horizontalen Rotorachse 2 auf, wobei der Rotor in einer Gondel 14 gelagert ist, welche um eine etwa vertikale Gierachse 12 drehbar ist, sodass die Rotorachse 2 einer Windrichtung 13 nachgeführt werden kann. Die Gondel 14 ist dabei drehbar mit einem Mast 15 der Windkraftanlage 1 verbunden, welcher fix mit einem Boden 1 1 verbunden ist. Bei einer Offshore-Windkraftanlage 1 kann der Mast 15 mit einem Meeresuntergrund verbunden oder auf einer schwimmenden Plattform gelagert sein. Der Rotor weist ein erstes Rotorblatt 3a, ein zweites Rotorblatt 3b und ein drittes Rotorblatt 3c auf, welche um 120° versetzt am Rotor angeordnet sind. Die Rotorblätter 3a, 3b, 3c sind zur Erreichung einer maximalen Leistungsausbeute üblicherweise unter einem Anstellwinkel auf die Rotorachse 2 ausgerichtet, welcher eine optimale Leistungsausbeute in einer Betriebsposition der Windkraftanlage 1 gewährleistet, in welcher die Rotorachse 2 zumindest in einer Draufsicht parallel zur Windrichtung 13 ausgerichtet ist.

Wenn die Rotorachse 2 wie bei der dargestellten Windkraftanlage 1 nicht parallel zur Windrichtung 13 ist, liegt ein Gierwinkelfehler ag vor, welcher einem Winkel zwischen der Rotorachse 2 und der Windrichtung 13 entspricht. Dieser Gierwinkelfehler ag führt zu einer Reduktion einer erzeugten elektrischen Leistung 6 der Windkraftanlage 1 gegenüber der bei entsprechenden Windbedingungen erzielbaren Leistung bzw. einem

Erwartungswert 7 bei optimaler Ausrichtung der Windkraftanlage 1 ohne

Gierwinkelfehler ag. Dies ergibt sich durch eine Überlagerung des Gierwinkelfehlers ag mit den Anstellwinkeln der Rotorblätter 3a, 3b, 3c. Der Anstellwinkel eines

Rotorblattes 3a, 3b, 3c gegenüber der Windrichtung 13 wird dabei aufgrund der

Überlagerung gegenüber einem Optimum verändert. Dies hat eine

Leistungsminderung 5a, 5b, 5c der mit dem jeweiligen Rotorblatt 3a, 3b, 3c erzeugten Leistung zur Folge.

Da die Überlagerung abhängig von einem Auslenkungswinkel aa, ab, ac der einzelnen Rotorblätter 3a, 3b, 3c ist, hat der Gierwinkelfehler ag in unterschiedlichen Positionen des Rotorblattes 3a, 3b, 3c unterschiedliche Auswirkungen auf eine durch den

Gierwinkelfehler ag hervorgerufene Leistungsminderung 5a, 5b, 5c. Die

Leistungsminderung 5a, 5b, 5c ist dabei maximal, wenn eine Längsachse 4 des

Rotorblattes 3a, 3b, 3c parallel zur Gierachse 12 ist. Dies ist bei der dargestellten

Windkraftanlage 1 jeweils dann der Fall, wenn ein Rotorblatt 3a, 3b, 3c senkrecht steht bzw. sich in einer 12-Uhr-Position oder einer 6-Uhr-Position befindet. Wird ein

Auslenkungswinkel aa, ab, ac eines Rotorblattes 3a, 3b, 3c als Winkel definiert, welchen eine Längsachse 4 des Rotorblattes 3a, 3b, 3c mit einer Horizontalen 9, insbesondere einer 9-Uhr-Position wie dargestellt, einschließt, ergibt sich somit ein Zusammenhang zwischen der durch die Überlagerung bedingten Leistungsminderung 5a, 5b, 5c und dem Auslenkungswinkel aa, ab, ac des jeweiligen Rotorblattes 3a, 3b, 3c als Betrag einer Sinusfunktion des Auslenkungswinkels aa, ab, ac. Ein Maximalwert der mit den Auslenkungswinkeln aa, ab, ac fluktuierenden Leistungsminderungen 5a, 5b, 5c der einzelnen Rotorblätter 3a, 3b, 3c in der 12-Uhr-Position ist insbesondere abhängig vom Gierwinkelfehler ag sowie aktuellen Windbedingungen. Analog verschwindet ein durch die Überlagerung bedingter Effekt, wenn die Gierachse 12 senkrecht zur Längsachse 4 eines Rotorblattes 3a, 3b, 3c ist. Dies ist dann der Fall, wenn sich ein Rotorblatt 3a, 3b, 3c in einer 3-Uhr-Position oder einer 9-Uhr-Position befindet. In diesen Positionen tritt ein weiterer leistungsmindernder Effekt durch Reduktion einer in Windrichtung 13 projizierten Fläche des Rotorblattes 3a, 3b, 3c auf. Bei einem praktisch relevanten kleinen Gierwinkelfehler ag ist die Auswirkung dieses Effektes, welche gemäß einer Sinusfunktion mit dem Gierwinkelfehler ag steigt, allerdings gegenüber dem Effekt der Überlagerung des Gierwinkelfehlers ag mit dem Anstellwinkel gering.

Basierend auf diesem Zusammenhang zwischen Gierwinkelfehler ag und zyklischen Leistungsabfall 8 wird ein Gierwinkelfehler ag erfindungsgemäß durch Bestimmung eines zyklischen Leistungsabfalles 8 der gemessenen Leistung 6 gegenüber dem

Erwartungswert 7 der bei entsprechenden Windbedingungen ohne Gierwinkelfehler ag erzielbaren Leistung ermittelt. Fig. 2 zeigt schematisch die abgegebene Leistung 6 einer Windkraftanlage 1 gemäß Fig. 1 , welche einen Gierwinkelfehler ag aufweist, sowie einen Erwartungswert 7 der abgegebenen Leistung 6 bei entsprechenden Windbedingungen und optimaler

Ausrichtung der Windkraftanlage 1 ohne Gierwinkelfehler ag über einen Rotorwinkel, welcher einem ersten Auslenkungswinkel aa eines ersten Rotorblattes 3a der

Windkraftanlage 1 aus einer 9-Uhr-Position entspricht.

Der zweite Auslenkungswinkel ab und der dritte Auslenkungswinkel ac sind gegenüber dem ersten Auslenkungswinkel aa entsprechend einer Anordnung der Rotorblätter 3a, 3b, 3c auf dem Rotor um 120° bzw. 240° phasenverschoben. Wie ersichtlich ist der

Erwartungswert 7 hier konstant über den Rotorwinkel.

Weiter sind zur Veranschaulichung der Erfindung die Leistungsminderungen 5a, 5b, 5c der einzelnen Rotorblätter 3a, 3b, 3c aufgrund des Gierwinkelfehlers ag dargestellt, welche tatsächlich in der Regel nicht einzeln gemessen werden. Dabei entspricht eine erste Leistungsminderung 5a einer Leistungsdifferenz, um welche ein durch das erste Rotorblatt 3a produzierter Leistungsbeitrag zu einer abgegebenen Leistung 6 aufgrund des Gierwinkelfehlers ag reduziert wird, die zweite Leistungsminderung 5b der entsprechenden Leistungsdifferenz des zweiten Rotorblattes 3b und die dritte

Leistungsminderung 5c der Leistungsdifferenz des dritten Rotorblattes 3c. Diese

Leistungsminderungen 5a, 5b, 5c ändern sich bei richtungsunabhängiger Auswirkung eines Anstellwinkelfehlers auf die erzielbare Leistung 6 jeweils mit einem Betrag einer Sinusfunktion des entsprechenden Auslenkungswinkels aa, ab, ac. Die zweite

Leistungsminderung 5b ist daher gegenüber der ersten Leistungsminderung 5a um 120° und die dritte Leistungsminderung 5c gegenüber der ersten Leistungsminderung 5a um 240° phasenverschoben. Ein leistungsmindernder Effekt aufgrund einer Reduktion einer in Windrichtung 13 projizierten Fläche der Rotorblätter 3a, 3b, 3c ist hier vernachlässigbar gering und daher nicht dargestellt. Die von der Windkraftanlage abgegebene Leistung 6 entspricht dem um die erste

Leistungsminderung 5a, die zweite Leistungsminderung 5b und die dritte

Leistungsminderung 5c reduzierten Erwartungswert 7. Wie ersichtlich fluktuiert die abgegebene Leistung 6 sowie ein zyklischer Leistungsabfall 8 der abgegebenen

Leistung 6 gegenüber dem Erwartungswert 7, wobei der durch den Gierwinkelfehler ag bedingte zyklische Leistungsabfall 8 immer dann ein Minimum erreicht, wenn wie zu einem Zeitpunkt t2 einer der Auslenkungswinkel aa, ab, ac 0° oder 180° beträgt bzw. wenn sich eines der Rotorblätter 3a, 3b, 3c in einer 9-Uhr-Position oder einer 3-Uhr- Position befindet. Weiter erreicht der zyklische Leistungsabfall 8 immer dann ein Maximum bzw. die abgegebene Leistung 6 bei konstantem Erwartungswert 7 ein Minimum, wenn wie zu einem Zeitpunkt t1 ein Auslenkungswinkel aa, ab, ac 90° oder 270° beträgt bzw. sich eines der Rotorblätter 3a, 3b, 3c in einer 12-Uhr-Position oder einer 6-Uhr-Position befindet. Dadurch ergibt sich die dargestellte Fluktuation der abgegebenen Leistung 6 sowie des Leistungsabfalles 8 gegenüber dem Erwartungswert 7 mit einer

Periodendauer tp entsprechend einem Sechstel einer Dauer td einer vollständigen Umdrehung des Rotors. Allgemein beträgt die Periodendauer tp dieser Fluktuation bei einem Rotor mit N

Rotorblättern 3a, 3b, 3c der Dauer td einer vollständigen Umdrehung des Rotors geteilt durch 2N. Bei einer Windkraftanlage 1 mit drei Rotorblättern 3a, 3b, 3c und einer

Rotordrehzahl von 10 U/min beträgt die Dauer td einer vollständigen Umdrehung des Rotors sechs Sekunden, sodass sich eine Periodendauer tp der auf einen

Gierwinkelfehler ag hinweisenden Fluktuation des Leistungsabfalles 8 von einer Sekunde ergibt. Eine Analyse des Leistungsabfalles 8 kann daher gezielt auf eine jeweilige

Frequenz abgestimmt erfolgen. Fig. 3 zeigt eine gemessene Leistung 6 einer Windkraftanlage 1 gemäß Fig. 1 mit einem Gierwinkelfehler ag mit ausgeprägter Auswirkung einer bodennahen Grenzschicht, in welcher die Windkraftanlage 1 positioniert ist und in welcher eine Windgeschwindigkeit mit einem Bodenabstand zunimmt. Dargestellt sind wieder die abgegebene bzw. gemessene Leistung 6 der Windkraftanlage 1 , ein Erwartungswert 7 bei optimaler Ausrichtung sowie Leistungsminderungen 5a, 5b, 5c der einzelnen Rotorblätter 3a, 3b, 3c aufgetragen über einen Rotorwinkel, welcher dem ersten Auslenkungswinkel aa entspricht.

Ersichtlich ist, dass im Unterschied zu den in Fig. 2 dargestellten Verläufen hier eine jeweilige Leistungsminderung 5a, 5b, 5c nur dann ein Maximum erreicht, wenn ein Auslenkungswinkel aa, ab, ac des jeweiligen Rotorblattes 3a, 3b, 3c 90° beträgt bzw. sich das jeweilige Rotorblatt 3a, 3b, 3c in der 12-Uhr-Position befindet. In der 6-Uhr-Position wirkt auf das jeweilige Rotorblatt 3a, 3b, 3c aufgrund der Grenzschicht eine reduzierte Windgeschwindigkeit und somit eine reduzierte Windkraft, welche zu einer Reduktion der erzeugten Leistung gegenüber der 12-Uhr-Position und somit auch zu einer Reduktion der durch den Gierwinkelfehler ag bedingten Leistungsminderung 5a, 5b, 5c führt. Eine

Periode des fluktuierenden Leistungsabfalles 8 weist daher nicht wie in Fig. 2 dargestellt nur eine, sondern zwei Halbwellen auf, welche unterschiedliche Maximalwerte erreichen.

Es können sich auch dadurch Halbwellen mit unterschiedlichen Maximalwerten wie dargestellt ergeben, dass die Überlagerung aufgrund unterschiedlicher

Überlagerungsrichtungen in einem Bereich oberhalb der Rotorachse 2 und unterhalb der Rotorachse 2 unterschiedliche Auswirkungen auf die jeweilige Leistungsminderung 5a, 5b, 5c hat. So wird der Gierwinkelfehler ag oberhalb der Rotorachse 2 zum Anstellwinkel addiert, während der Gierwinkelfehler ag unterhalb der Rotorachse 2 vom Anstellwinkel subtrahiert wird.

Eine Periodendauer tp der Fluktuation des zyklischen Leistungsabfalles 8 entspricht daher bei einer Fluktuation wie in Fig. 3 dargestellt einem Drittel der Dauer td einer Umdrehung des Rotors. Allgemein ausgedrückt beträgt eine Dauer td einer Umdrehung des Rotor das N-fache der Periodendauer tp der Fluktuation, sodass die Periodendauer tp bei einer Windkraftanlage 1 mit drei Rotorblättern 3a, 3b, 3c und einer Rotordrehzahl von 10 U/min zwei Sekunden beträgt. Der zyklische Leistungsabfall hat somit in diesem Fall eine Frequenz von 0,5 Hz.

Der fluktuierende Leistungsabfall 8 kann insbesondere automatisiert auf sehr einfache Weise erfasst werden, um einen Gierwinkelfehler ag bzw. eine fehlerhafte

Gondelausrichtung zu ermitteln, in welcher die Rotorachse 2 nicht parallel zur

Windrichtung 13 ist. Dadurch kann ohne zusätzliche Sensoren auf besonders einfache Weise ein Gierwinkelfehler ag ermittelt werden, beispielsweise mit einem Computer, welcher zur entsprechenden Analyse der gemessenen Leistung eingerichtet bzw.

programmiert ist. Durch Rotation der Gondel 14 bis zu einem Betriebspunkt, an dem der zyklische Leistungsabfall 8 minimal ist, kann der Gierwinkelfehler ag auf einfache Weise reduziert bzw. eliminiert werden, um eine verbesserte Effizienz der Windkraftanlage 1 zu erreichen. Ein Betriebspunkt, an dem kein Gierwinkelfehler ag vorliegt, ist dabei zuverlässig ermittelbar, da sich an diesem Punkt ein scharfes Maximum der abgegebenen Leistung 6 bzw. ein scharfes Minimum des fluktuierenden Leistungsabfalles 8 ergibt.