Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Rotorblattverstellantriebs einer Windkraftanlage, wobei eine elektrische Betriebslast durch eine elektrische Primär- Energieversorgung und bei Ausfall derselben durch einen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Rotorblattverstellantrieb für eine Windkraftanlage.

Bei modernen Windkraftanlagen erfolgt die Leistungs- und Drehzahlregelung über die Veränderung des Rotorblattwinkels, zu dessen Verstellung Blattverstellsysteme eingesetzt werden. Üblicherweise handelt es sich hierbei um hydraulische oder elektrische Systeme. In der Regel wird die Verstellung des Blattwinkels auch zum Abfahren und Störabfahren genutzt, sodass das Blattverstellsystem das primäre Bremssystem der Windkraftanlage darstellt. Um die Verfügbarkeit des Blattverstellsystems sicherzustellen, werden Energiespeicher verwendet, die im Falle eines Ausfalls der Primär- Energieversorgung die Antriebe des Blattverstellsystems mit Energie versorgen. Bei elektrischen Blattwinkelverstell- systemen werden regelmäßig Akkumulatoren (Batterien) als Energiespeicher verwendet, wobei Überwachungseinrichtungen eingesetzt werden, um die Sicherheit und Verfügbarkeit der Akkumulatoren sicherzustellen. Typischerweise erfolgt dies durch Spannungswächterrelais, die im Falle einer Unterspannung eine Meldung an die übergeordnete Steuerung abgeben. Ebenfalls ist es möglich, die Spannung kontinuierlich zu messen und in Abhängigkeit vom Spannungswert Aussagen über den Zustand des Akkumulators zu treffen. Weiterhin ist es üblich, in periodischen Abständen die Funktion der Batterien zu testen, indem die Windkraftanlage angehalten wird und die Rotorblätter mittels der Akkumulatoren verfahren werden.

Keine der oben genannten Methoden erlaubt es, eine genaue Aussage über den Gesundheitszustand und/oder den Ladezustand des Akkumulators im laufenden Betrieb der Anlage zu treffen. Die Nachteile der oben genannten Verfahren bestehen insbesondere darin, dass beim Einsatz von Spannungswächterrelais ausschließlich der Spannungspegel des Akkumulators betrachtet wird. Dieser erlaubt aber nur eine bedingte Aussage über den Gesundheitszustand und den Ladezustands des Akkumulators. Auch im Falle einer Belastung des Akkumulators durch den Motor des Blattverstellantriebs hat der Spannungspegel nur eine bedingte Aussagekraft, da in der Regel der Grad der Belastung nicht konstant ist. Ferner ergeben sich bei Einsatz einer kontinuierlichen Überwachung der Akkumulatorspannung die gleichen Probleme wie beim Spannungswächterrelais. Das Verfahren der Rotorblätter bei gestoppter Anlage ermöglicht zwar eine aussagekräftige Ermittlung des Gesundheitszustands, allerdings wird durch das Anhalten der Anlage deren Verfügbarkeit beeinträchtigt. Aus der DE 102 01 136 Cl ist ein Verfahren zur Bewertung des Zustandes von Batterien in batteriegestützten Stromversorgungsanlagen mit mindestens zwei parallelen Batteriezweigen bekannt, die je nach Ladezustand abwechselnd eine Last mit Energie versorgen oder von einem Generator nachgeladen werden. Von einer erstmalig an der Stromversorgungsanlage in Betrieb genommenen, aufgeladenen Batterie wird nach Freischaltung von der Stromversorgungsanlage mittels einer Steuereinheit selbsttätig in einem stufenweisen Entladezyklus an einem Entladewiderstand eine Entladekennlinie der Ruhespannung aufgenommen. Dieser stufenweise Entladezyklus wird zu festzulegenden Zeitpunkten zur Aufnahme einer aktuellen Entladekennlinie der Ruhespannung wiederholt. Ferner wird aus einer zuvor festgelegten Reservezeit und der bei der ersten Messung ermittelten Entladeschlussspannung aus der aktuellen Entladekennlinie der Ruhespannung eine Alarm-Ruhe-Spannung ermittelt, die ein Maß für eine jeweils noch verbleibende Restenergie der Batterie darstellt und bei deren Erreichen beim Betrieb an der Last eine Alarmierung des Betreibers der Stromversorgungsanlage erfolgt .

Diese Stromversorgungsanlage bildet eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, sodass die Batterien nicht zur Notversorgung dienen, sondern eine grundsätzliche Funktion der Anlage erfüllen. Dies hat zur Folge, dass mehrere Batterien vorgesehen sein müssen, von denen immer wenigstens eine mit der Last gekoppelt ist.

Die bekannte Stromversorgungsanlage ist relativ teuer. Ferner muss der Zustand jeder Batterie separat ermittelt werden, sodass es verhältnismäßig lange dauert, bis der Zustand aller Batterien erfasst ist.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren in möglichst kostengünstiger Weise um eine aussagekräftige Zustandserfassung des Energiespeichers erweitern zu können. Ferner soll das Verfahren relativ schnell durchführbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch einen Rotorblattverstellantrieb nach Anspruch 13 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Rotorblattverstellantriebs einer Windkraftanlage umfasst den Verfahrensschritt, dass eine elektrische Betriebslast durch eine elektrische Primär-Energieversorgung und bei Ausfall derselben durch einen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Weiterbildung dieses Verfahrens besteht insbesondere darin, dass der elektrische Energiespeicher mittels eines elektrischen Ladegeräts elektrisch aufgeladen wird, und dass der Energiespeicher in aufeinanderfolgenden, zeitlichen Abständen vorübergehend von dem Ladegerät getrennt und mit einer elektrischen Prüflast beaufschlagt wird, wobei die dadurch, d.h. durch die Beaufschlagung des von dem Ladegerät getrennten Energiespeichers mit der Prüflast, hervorgerufene elektrische Entladung des Energiespeichers beobachtet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit lediglich einem einzigen Energiespeicher durchführbar, sodass Kosten für zusätzliche Energiespeicher eingespart werden können. Zwar ist zusätzlich ein Ladegerät erforderlich, die Kosten dafür sind aber deutlich geringer als für einen zusätzlichen Energiespeicher, der zum Betreiben wenigstens eines Elektromotors eines Blattwinkelverstellantriebs einer Windkraftanlage geeignet ist. Da insbesondere nur ein Energiespeicher überprüft wird, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch relativ schnell.

Durch die Beobachtung der elektrischen Entladung des Energiespeichers wird die Möglichkeit eröffnet, einen Zustand des Energiespeichers zu bestimmen. Vorzugsweise wird daher auf Basis der beobachteten Entladung des Energiespeichers der Ladezustand (SOC = engl. Abkürzung für: State of Charge) und/oder der Gesundheitszustand (SOH = engl. Abkürzung für: State of health) des Energiespeichers ermittelt.

Das vorübergehende Trennen des Energiespeichers von dem Ladegerät erfolgt vorzugsweise periodisch. Insbesondere ist oder wird die Betriebslast von dem Energiespeicher elektrisch entkoppelt, während sie von der Primär-Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird.

Bei der Primär-Energieversorgung handelt es sich bevorzugt um ein elektrisches Netz, insbesondere um ein Wechselstromnetz. Alternativ kann die Primär-Energieversorgung aber auch durch ein Gleichstromnetz gebildet sein. Das elektrische Netz ist beispielsweise ein internes Netz der Windkraftanlage oder ein externes Netz, wie z.B. ein Windparknetz oder das öffentliche Stromversorgungsnetz .

Das Ladegerät ist insbesondere zusätzlich zu der Primär- Energieversorgung vorgesehen. Vorzugsweise wird das Ladegerät aber von der Primär-Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt .

Während eines Ladevorgangs führt das Ladegerät dem Energiespeicher einen elektrischen Ladestrom zu und/oder legt eine elektrische Ladespannung an den Energiespeicher an. Bevorzugt steuert oder regelt das Ladegerät den dem Energiespeicher zugeführten elektrischen Ladestrom und/oder die an dem Energiespeicher anliegende elektrische Ladespannung, insbesondere in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Beobachtung der Entladung des Energiespeichers das Messen der an der Prüflast abfallenden elektrischen Spannung und/oder des der Prüflast zugeführten oder diese durchfließenden elektrischen Stroms. Aus der gemessenen Spannung und/oder dem gemessenen Strom wird vorzugsweise eine oder wenigstens eine Entladekurve ermittelt und/oder dargestellt. Die Entladekurve umfasst insbesondere mehrere Werte der gemessenen Spannung und/oder des gemessenen Stroms in Abhängigkeit von der Zeit. Insbesondere wird die Entladekurve in einem Speicher abgelegt. Der Gesundheitszustand des Energiespeichers wird vorzugsweise auf Basis der Entladekurve bestimmt. Da die Entladung in aufeinanderfolgenden zeitlichen Abständen wiederholt durchgeführt und beobachtet wird, werden bevorzugt mehrere Gesundheitszustände ermittelt, aus denen insbesondere ein zeitlicher Verlauf des Gesundheitszustands bestimmt wird. Vorzugsweise wird auf Basis des zeitlichen Verlaufs des Gesundheitszustands ein zustandsabhängiger Austausch des Energiespeichers durchgeführt oder geplant.

Die Prüflast ist bevorzugt ein Leistungswiderstand, der insbesondere ein ohmscher Widerstand ist. Vorzugsweise ist die Prüflast konstant.

Bevorzugt weist der Energiespeicher ein oder mehrere Akkumulatoren auf oder ist durch diesen oder diese gebildet.

Die Betriebslast umfasst insbesondere wenigstens einen mit zumindest einem Rotorblatt gekoppelten Elektromotor oder ist durch diesen gebildet, mittels welchem das Rotorblatt um eine Blattachse gedreht wird. Die Kopplung zwischen dem Elektromotor und dem Rotorblatt ist vorzugsweise mechanisch. Der Elektromotor ist insbesondere als Gleichstrommotor oder als Wechselstrommotor, z.B. in Form einer Drehfeldmaschine, ausgebildet .

Als Alternative zum erfindungsgemäßen Verfahren wäre es möglich, ein Ladegerät einzusetzen, welches in zyklischen Abständen die Batterie mit einem Widerstand belastet. Während der Belastung wird dann der Spannungsabfall über den Lastwiderstand gemessen und hierdurch eine Aussage über den Zustand der Batterien getroffen. Die Belastung des Akkumulators durch das Ladegerät ließe nach derzeitigem Kenntnisstand aber nur sehr kurze und wenig energieintensive Entladungen zu, die in ihrer Aussagekraft sehr begrenzt sind. Das erfindungsgemäße Beaufschlagen des Energiespeichers mit der Prüflast erfolgt somit vorzugsweise außerhalb des Ladegeräts. Insbesondere ist die Prüflast extern vom Ladegerät vorgesehen.

Die Erfindung betrifft ferner einen Rotorblattverstellantrieb für eine Windkraftanlage, mit einer elektrischen Betriebslast, die von einer Primär-Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird oder werden kann, einem mit der Betriebslast elektrisch koppelbaren elektrischen Energiespeicher, mittels welchem die Betriebslast bei Ausfall der Primär-Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird oder werden kann, und einer elektrischen Schalteinrichtung, mittels welcher der Energiespeicher bei Ausfall der Primär-Energieversorgung mit der Betriebslast gekoppelt wird oder werden kann. Die Weiterbildung des Rotorblattverstellantriebs besteht insbesondere darin, dass der Energiespeicher mittels eines elektrischen Ladegeräts elektrisch aufgeladen wird oder werden kann, und dass der Energiespeicher mittels der Schalteinrichtung in aufeinanderfolgenden, zeitlichen Abständen vorübergehend von dem Ladegerät getrennt und mit einer elektrischen Prüflast beaufschlagt werden kann, wobei die dadurch hervorgerufene elektrische Entladung des Energiespeichers mittels einer Auswerteeinrichtung beobachtet wird oder werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Rotorblattverstellantrieb durchgeführt. Der Rotorblattverstellantrieb und/oder dessen Merkmale können somit gemäß allen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen weitergebildet sein. Entsprechendes gilt umgekehrt für das erfindungsgemäße Verfahren.

Der Energiespeicher kann mittels der Schalteinrichtung bevorzugt periodisch von dem Ladegerät getrennt und mit einer elektrischen Prüflast beaufschlagt werden, sodass die aufeinanderfolgenden, zeitlichen Abstände insbesondere konstant oder im Wesentlichen konstant sind. Somit ist eine periodische Entladung des Energiespeichers durchführbar und beobachtbar. Bevorzugt ist die Betriebslast von dem Energiespeicher elektrisch entkoppelt oder entkoppelbar, während sie von der Primär-Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt wird oder werden kann. Insbesondere wird oder ist das Ladegerät von der Primär-Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt bzw. versorgbar. Dazu ist das Ladegerät vorzugsweise mit der Primär-Energieversorgung elektrisch gekoppelt oder koppelbar.

Bevorzugt kann das Ladegerät dem Energiespeicher einen elektrischen Ladestrom zuführen und/oder eine elektrische Ladespannung an den Energiespeicher anlegen. Der dem Energiespeicher zugeführte elektrische Ladestrom und/oder die an dem Energiespeicher anliegende elektrische Ladespannung kann vorzugsweise mittels des Ladegeräts gesteuert oder geregelt werden, insbesondere in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers.

Der Energiespeicher weist vorzugsweise ein oder mehrere Akkumulatoren auf oder ist aus diesem oder diesen gebildet. Die Betriebslast umfasst insbesondere wenigstens einen mit zumindest einem Rotorblatt gekoppelten Elektromotor oder ist durch diesen gebildet, mittels welchem das Rotorblatt um eine Blattachse gedreht wird oder werden kann. Die Kopplung zwischen dem Elektromotor und dem Rotorblatt ist vorzugsweise mechanisch.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Betriebslast unter Zwischenschaltung eines Umrichters mit der Primär- Energieversorgung elektrisch gekoppelt. Der Umrichter umfasst bevorzugt einen Gleichrichter, eine Ausgangsstufe sowie einen zwischen den Gleichrichter und die Ausgangsstufe geschalteten Zwischenkreis, der insbesondere einen Kondensator umfasst. Die Ausgangsstufe ist z.B. ein Wechselrichter, ein Gleichstromsteller oder ein anderes Gerät zur Bereitstellung eines steuerbaren Gleich- oder Wechselstroms für den Elektromotor .

Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit eröffnet, den Zustand, insbesondere den Ladezustand und/oder den Gesundheitszustand, des Energiespeichers zu bestimmen, ohne dabei die Verfügbarkeit der Windkraftanlage zu reduzieren. Bevorzugt wird hierzu der Energiespeicher in periodischen Abständen vom Ladegerät getrennt und mit einem Leistungswiderstand belastet. Während dieser Belastung werden sowohl die Spannung als auch der Strom gemessen und als Entladekurve dargestellt. Anhand dieser Entladekurve ist es möglich, den Ladezustand und/oder den Gesundheitszustand des Energiespeichers zu bestimmen. Da die Entladung jedes Mal unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wird, kann über den zeitlichen Verlauf die Entwicklung des Gesundheitszustands verfolgt und ein zustandsabhängiger Austausch der Akkumulatoren geplant werden. Die Überprüfung des Energiespeichers kann während des laufenden Betriebs der Windkraftanlage durchgeführt werden, sodass Einbußen in deren Verfügbarkeit vermieden werden. Der Energiespeicher ist vorzugsweise ein Akkumulator oder eine Batterie.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Windkraftanlage ,

Fig. 2: ein schematisches Blockschaltbild eines Blattwinkelverstellantriebs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3: eine schematische Draufsicht auf den Rotor der Windenergieanlage .

Aus Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage 1 ersichtlich, die einen auf einem Fundament 2 aufstehenden Turm 3 umfasst, an dessen dem Fundament 2 abgewandten Ende ein Maschinenhaus 4 angeordnet ist. Das Maschinenhaus 4 weist eine Halterung (Träger) 5 auf, an der ein Rotor 6 drehbar gelagert ist, der eine Rotornabe 7 und mehrere mit dieser verbundene Rotorblätter 8, 9 und 10 umfasst (siehe auch Fig. 3) . Der Rotor 6 ist mechanisch mit einem elektrischen Generator 11 gekoppelt, der in dem Maschinehaus 4 angeordnet und an dem Träger 5 befestigt ist.

In der Rotornabe 7 ist ein Rotorblattverstellsystem 12 angeordnet, welches Blattwinkelverstellantriebe 14 mit Notstromversorgungseinrichtungen 13 umfasst, wobei die Rotorblätter 8, 9 und 10 mittels der Blattwinkelverstellantriebe 14 um ihre jeweilige Längsachse 15, 16 bzw. 17 relativ zur Rotornabe 7 gedreht werden können (siehe auch Fig. 3) . Der Rotor 6 wird durch Windkraft 18 um eine Rotorachse 19 gedreht.

Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Rotor 6, sodass die drei Rotorblätter 8, 9 und 10 ersichtlich sind.

Aus Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines der Blattwinkelverstellahntriebe 14 mit der zugehörigen Notstromversorgungseinrichtung 13 ersichtlich, die einen Akkumulator 20 umfasst, der über einen elektrischen Schalter 21 mit einem elektrischen Ladegerät 22 elektrisch verbunden oder verbindbar ist. Der Blattwinkelverstellahntrieb 14 umfasst einen Elektromotor 23, der mechanisch mit dem Rotorblatt 8 gekoppelt ist, sodass dieses mittels des Elektromotors 23 um die Blattachse 15 gedreht werden kann. Der Elektromotor 23 ist unter Zwischenschaltung eines elektrischen Schalters 24 mit einem Umrichter 25 elektrisch gekoppelt oder koppelbar, der mit einer Primär- Energieversorgung 26 elektrisch verbunden ist und von dieser gespeist wird. Der Umrichter 25 umfasst einen Gleichrichter 35, eine Ausgangsstufe 36 und einen zwischen den Gleichrichter 35 und die Ausgangsstufe 36 geschalteten Gleichspannungszwischenkreis 37 mit einem Kondensator. Die Ausgangsstufe 36 ist z.B. ein Wechselrichter oder ein Gleichstromsteller. Da der Elektromotor 23 gemäß dieser Ausführungsform als Gleichstrommotor ausgebildet ist, bezeichnet das Bezugszeichen 36 einen Gleichstromsteller oder ein anderes Gerät zur Bereitstellung eines steuerbaren Gleichstroms für den Elektromotor. Der Umrichter 25 ist mit einer Steuerung 27 gekoppelt, mittels welcher der Umrichter

25 zum Drehen des Rotorblatts 8 um die Blattachse 15 angesteuert wird.

Der Elektromotor 23 ist über einen elektrischen Schalter 28 mit dem Akkumulator 20 elektrisch gekoppelt oder koppelbar. Ferner ist das Ladegerät 22 mit der Primär-Energieversorgung

26 elektrisch verbunden und wird von dieser gespeist.

Der Akkumulator 20 ist über einen elektrischen Schalter 29 mit einem Leistungswiderstand 30 belastbar, der mit einer Messeinheit 31 gekoppelt ist, mittels welcher die an dem Leistungswiderstand 30 anliegende Spannung U und der den Leistungswiderstand 30 durchfließende Strom I gemessen werden kann. Die Messeinheit 31 ist mit einer Auswerteeinrichtung 32 gekoppelt, mittels welcher aus dem zeitlichen Verlauf der gemessenen Spannung und/oder des gemessenen Stroms eine Entladekurve 33 ermittelt werden kann, die lediglich schematisch dargestellt ist. Auf Basis der Entladekurve 33 kann die Auswerteeinrichtung 32 den Gesundheitszustand (SOH) des Akkumulators 20 bestimmen.

Die Schalter 21, 24, 28 und 29 sind Teil einer elektrischen Schalteinrichtung 34, mittels welcher diese Schalter elektrisch betätigt werden können. Die Schalter 21, 24, 28 und 29 können dabei jeweils als Relais oder als Transistor ausgebildet sein. Die Schalteinrichtung 34 wird mittels der Steuerung 27 oder mittels einer separaten Steuerung gesteuert .

Im normalen Betrieb, d.h. bei vorhandener Primär- Energieversorgung 26, ist der Schalter 24 geschlossen, wohingegen der Schalter 28 geöffnet ist. Somit wird der Elektromotor 23, unter Zwischenschaltung des Umrichters 25, ausschließlich von der Primär-Energieversorgung 26 mit elektrischer Energie versorgt. Ferner ist zum Laden des Akkumulators 20 der Schalter 21 geschlossen, sodass der Akkumulator 20 mittels des Ladegeräts 22 geladen wird oder werden kann, und der Schalter 29 bevorzugt geöffnet. Das Ladegerät 22 steuert dabei die an dem Akkumulator 20 anliegende Ladespannung UL und/oder den dem Akkumulator 20 zugeführten Ladestrom IL, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Ladezustand des Akkumulators 20. Zum Überprüfen des Gesundheitszustands des Akkumulators 20 wird bei geöffnetem Schalter 28 der Schalter 21 geöffnet, wohingegen der Schalter 29 geschlossen wird. Der Akkumulator 20 entlädt sich nun über den Leistungswiderstand 30, was mittels der Auswerteeinrichtung 32 unter Zwischenschaltung der Messeinheit 31 beobachtet wird. Ist der Gesundheitszustands erfasst, wird der Schalter 29 wieder geöffnet, wohingegen der Schalter 21 geschlossen wird. Bezugszeichenliste

1 Windkraftanlage

2 Fundament

3 Turm

4 Maschinenhaus

5 Träger / Halterung

6 Rotor

7 Rotornabe

8 Rotorblatt

9 Rotorblatt

10 Rotorblatt

11 elektrischer Generator

12 Rotorblattverstellsystem

13 NotStromversorgungseinrichtung

14 Blattwinkelverstellantrieb

15 Blattachse

16 Blattachse

17 Blattachse

18 Wind

19 Rotorachse

20 Akkumulator

21 Schalter

22 Ladegerät

23 Elektromotor

24 Schalter

25 Umrichter

26 elektrische Primär-Energieversorgung 27 Steuerung

28 Schalter 29 Schalter

30 Leistungswiderstand

31 Messeinheit

32 Auswerteeinrichtung

33 Entladekurve

34 Schalteinrichtung

35 Gleichrichter

36 Ausgangsstufe

37 Zwischenkreis

I elektrischer Strom durch Leistungswiderstand U elektrische Spannung an Leistungswiderstand IL elektrischer Ladestrom UL elektrische Ladespannung