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Dokumentenidentifikation DE102007032179A1 22.01.2009
Titel Windenergieanlage mit erweitertem Drehzahlbereich
Anmelder REpower Systems AG, 22297 Hamburg, DE
Erfinder Letas, Heinz-Hermann, Dr., 23701 Eutin, DE
Vertreter Glawe, Delfs, Moll, Patentanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 10.07.2007
DE-Aktenzeichen 102007032179
Offenlegungstag 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse H02P 9/02  (2006.01)  A,  F,  I,  20070710,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse F03D 7/00  (2006.01)  A,  L,  I,  20070710,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Windrotor (3), einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator (4) und einem Umrichter (5) zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Netz (9), wobei ein generatorseitiger Teil (51) des Umrichters an einen Rotor und ein netzseitiger Teil (53) an einen Stator des Generators (4) angeschlossen sind und eine Steuereinrichtung (6) mit einer Umrichterregelung (7) vorgesehen ist, die den Umrichter (5) auf Basis von vorgegebenen Netzparametern regelt. Erfindungsgemäß ist ein Modusselektor (72) vorgesehen, der mit der Umrichterregelung (7) derart zusammenwirkt, dass sie zwischen zwei Betriebsarten umschaltbar ist, einer Normalbetriebsart und einer Hochlastbetriebsart, bei der die Erregung des Generators (4) gegenüber der Normalbetriebsart vermindert ist. Durch die Untererregung wird ein zusätzlicher Blindstrom erzeugt, der zu einer Absenkung der Rotorspannung führt. Damit kann die Rotorspannung auch bei hoher Last auf einen zulässigen Wert begrenzt werden. Die Windenergieanlage kann damit auch bei höheren Drehzahlen betrieben werden, und es kann ein stärkerer Generator mit höherer Leistung mit unverändertem Umrichter vorgesehen sein. Der Ertrag der Windenergieanlage erhöht sich damit. Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator und einem Umrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, wobei ein maschinenseitiger Teil des Umrichters an einen Rotor und ein netzseitiger Teil an einen Stator der doppelt gespeisten Asynchronmaschine angeschlossen sind, und einer Steuereinrichtung mit einer Umrichterregelung vorgesehen ist, die den Umrichter auf Basis von vorgegebenen Parametern in einer Normalbetriebsart regelt.

Moderne Windenergieanlagen, insbesondere solche höherer Leistungsklassen im Megawattbereich, sind drehzahlvariabel ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Drehzahl des Windrotors durch Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter an die jeweils vorherrschenden Windbedingungen angepasst werden kann. Während bei niedrigen Windgeschwindigkeiten eine niedrige Drehzahl eingestellt wird, wird entsprechend bei hohen Windgeschwindigkeiten eine große Drehzahl eingestellt. Bei konstantem Moment in der Rotorwelle zwischen Windrotor und Generator gilt hierbei, dass je höher die Drehzahl ist, desto höher die übertragende Leistung und damit auch der Ertrag der Windenergieanlage. Eine Schwierigkeit besteht darin, dass aufgrund von Grenzparametern in der Windenergieanlage bestimmte Höchst- und Mindestdrehzahlen einzuhalten sind. In Bezug auf die Rotorspannung des Generators besteht die Beschränkung darin, dass auch bei Erreichen der Höchst-(bzw. Mindest-)Drehzahl die Spannung nicht höher werden darf als die maximal vom Umrichter erzeugbare Wechselspannung. Herkömmlicherweise wird daher das elektrische Übersetzungsverhältnis von doppelt gespeisten Asynchronmaschinen entsprechend gewählt. Damit kann erreicht werden, dass die Rotorspannung im Betrieb passend zu den Grenzwerten des Umrichters ist. Es hat sich aber gezeigt, dass bei sehr leistungsstarken Generatoren das an sich erforderliche Übersetzungsverhältnis nicht mehr realisierbar ist. Dies gilt insbesondere bei der Nachrüstung von Windenergieanlagen. Um dennoch die große Leistung übertragen zu können, ist es entweder erforderlich, den Umrichter gegen einen mit höherer Spannungsgrenze auszutauschen, was teuer ist, oder eine Einschränkung des Drehzahlbereichs der Windenergieanlage vorzusehen, was die Nutzbarkeit und damit den Ertrag den Windenergieanlage schmälert. Besonders störend ist bei der unter Kostengesichtspunkten vorteilhaften Einschränkung des Drehzahlbereichs, dass die verbleibende Drehzahlreserve für Windstärkenschwankungen, insbesondere für Böen, verloren geht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auch bei hohen Leistungsklassen der Drehzahlbereich ohne Veränderung des Umrichters nicht eingeschränkt zu werden braucht.

Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei einer Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator und einem Umrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, wobei ein generatorseitiger Teil des Umrichters an einen Rotor und ein netzseitiger Teil des Umrichters an einen Stator der doppelt gespeisten Asynchronmaschine angeschlossen sind, und einer Steuereinrichtung mit einer Umrichterregelung, ist gemäß der Erfindung ein Modusselektor vorgesehen, der mit der Umrichterregelung derart zusammenwirkt, dass sie zwischen zwei Betriebsarten umschaltbar ist, der Normalbetriebsart und einer Hochlastbetriebsart, bei der die Erregung des Generators gegenüber der Normalbetriebsart vermindert ist.

Mit dem Modusselektor wirkt die Erfindung gezielt auf die Umrichterregelung ein, um so eine bestimmte Betriebsart des Umrichters zu erzwingen, genauer gesagt von einem oder beiden Wechselrichtern des Umrichters. In der Hochlastbetriebsart ist vorgesehen, dass mindestens einer der Wechselrichter des Umrichters in den untererregten Betrieb gebracht wird. Dadurch erzeugt der Wechselrichter zusätzlichen (induktiven) Blindstrom, der spannungssenkend in Bezug auf die Rotorspannung wirkt. Damit kann das Überschreiten von Grenzwerten der Rotorspannung verhindert werden. Die Windenergieanlage kann somit auch bei hoher Leistung und damit hoher Drehzahl betrieben werden, dennoch bleibt für die Rotorspannung eine ausreichende Reserve erhalten. Eine Drehzahlbeschränkung zum Schutz des Generators bzw. Umrichters vor zu hohen Rotorspannungen ist dank der Erfindung nicht mehr erforderlich.

Die Erfindung erreicht eine Reihe von Vorteilen. Zum einen wird eine Erweiterung des nutzbaren Drehzahlspektrums bei Begrenzung der Rotorspannung auf bestimmte Maximalwerte erreicht. Da die Drehzahlgrenzen nicht abgesenkt zu werden brauchen, steht die Drehzahlreserve genauso wie bei Anlagen geringerer Leistungsklassen zur Verfügung, so dass die erfindungsgemäße Windenergieanlage auch eine entsprechend hohe Böenfestigkeit aufweist. Die Erfindung bietet sich damit insbesondere auch für die Aufrüstung bestehender Windenergieanlagen an, wobei der Generator gegen einen höherer Leistung ausgetauscht wird; dank der erfindungsgemäßen Gestaltung ist ein entsprechender und kostspieliger Austausch des Umrichters gegen einen höherer Leistung nicht erforderlich. Die Erfindung ermöglicht es also, einen stärkeren Generator mit einem für eine geringere Leistungsklasse ausgelegten Umrichter zu betreiben, und dennoch das nutzbare Drehzahlband zu erhalten.

Vorzugsweise ist ein Rotorspannungsüberwachungsmodul vorgesehen, das zur Betätigung des Modusselektors in Abhängigkeit von der Spannung am Rotor des Generators ausgebildet ist. Damit kann unmittelbar in Abhängigkeit von der Rotorspannung auf die Umrichterregelung direkt eingewirkt werden, um die Wechselrichter des Umrichters gegebenenfalls in die Hochlastbetriebsart zu schalten, so dass sie Blindstrom erzeugen. Es kann dabei eine Regelung für die Rotorspannung geschaffen werden, die zweckmäßigerweise so ausgeführt ist, dass in der Hochlastbetriebsart eine Regelung der Rotorspannung auf einen einstellbaren Wert unterhalb des Werts in der Normalbetriebsart erfolgt. Dieser Wert wird als Niederwert bezeichnet.

Der Modusselektor wird meist so ausgebildet, dass er in Abhängigkeit von der Leistung der Windenergieanlage bzw. der Rotorspannung schaltet. Bei Erreichen einer Leistung oberhalb einer Schaltschwelle schaltet der Modusselektor in die Hochlastbetriebsart. Damit wird erreicht, dass die Rotorspannung auch bei hoher Last bzw. Drehzahl der Windenergieanlage keine unzulässigen Werte einnimmt. Es kann zweckmäßig sein, wenn die Schaltschwelle für den Modusselektor zusätzlich von der Netzfrequenz verändert wird. Die Erfindung hat erkannt, dass die Gefahr überhöhter Rotorspannungen auch in bestimmten Konstellationen mit tiefen Frequenzen von bspw. 47,5 Hz (in einem 50 Hz Netz) besteht, und eine besonders hohe Blindstromerzeugung erfordert. Um auch hier ausreichend reagieren zu können, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Schaltschwelle für den Modusselektor bei tiefen Frequenzen abgesenkt ist.

Für die erfindungsgemäße Erzeugung von Blindstrom zur Absenkung der Rotorspannung können grundsätzlich beide Wechselrichter, der generatorseitige wie auch der netzseitige Wechselrichter, des Umrichters eingesetzt sein. Mit Vorteil ist der generatorseitige Wechselrichter eingesetzt, da er das Übersetzungsverhältnis der doppelt gespeisten Asynchronmaschine als Verstärkungsfaktor nutzen kann, und außerdem der Spannungsabfall an der Generatorimpedanz ausgenutzt werden kann. Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass zusätzlich oder alternativ der netzseitige Wechselrichter herangezogen wird.

Insbesondere für den netzseitigen Wechselrichter ist mit Vorteil ein Zusatzschaltmodul vorgesehen, welches den netzseitigen Wechselrichter in eine unter-, normal- oder übererregte Betriebsart bringt. Es wirkt mit dem Modusselektor wie nachfolgend beschrieben zusammen. Grundsätzlich wird die neutrale Betriebsart gewählt, und zwar dann, wenn der netzseitige Wechselrichter keinen Blindstrom zu erzeugen hat. Diese Betriebsart bietet sich insbesondere für Fälle hoher Spitzenwirkleistung an, wenn ohnehin kaum oder keine Stromreserve mehr zur Verfügung steht. Um den erwünschten Effekt der Spannungsabsenkung zu unterstützen, ist zweckmäßigerweise die untererregte Betriebsart angewählt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Spannungsabsenkung der Rotorspannung so hoch wie möglich sein soll. Es kann aber auch sein, dass zwar eine möglichst weitgehende Absenkung der Rotorspannung erreicht werden soll unter Zuhilfenahme des netzseitigen Wechselrichters, dass jedoch die Auswirkungen auf das Netz, an welches die Windenergieanlage angeschlossen ist, möglichst gering bleiben sollen. Dann würde die übererregte Betriebsart gewählt. Bei dieser Betriebsart sorgt der generatorseitige Wechselrichter für die gewünschte Rotorspannungsabsenkung, während der netzseitige Wechselrichter die Auswirkungen der von dem generatorseitigen Wechselrichter durchgeführte Blindleistungseinspeisung gering hält in Bezug auf das Verhalten am Netz.

Vorzugsweise wirkt das Zusatzschaltmodul mit einer Kompensationsanlage derart zusammen, dass diese im übererregten Betrieb den netzseitigen Wechselrichter unterstützt. Damit können insbesondere ohnehin vorhandene Kompensationsanlagen dazu genutzt sein, die erwünschte induktive Blindleistung bereitzustellen.

Darüber hinaus kann die Umrichterregelung dazu ausgebildet sein, die Rotorspannung zu messen und zu überwachen. Übersteigt die Rotorspannung einen vorgebbaren Grenzwert, aktiviert die Umrichterregelung Schutzeinrichtungen, wie z. B. eine Crowbar, zur Verringerung der Rotorspannung und schützt so den Generator vor Beschädigung durch überhöhte Rotorspannung.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage, wobei eine Umrichterregelung den Umrichter so zwischen einer Normalbetriebsart und einer Hochlastbetriebsart umschaltet, dass die Erregung des Rotors des doppelt gespeisten Asynchrongenerators bei hoher Leistung (entsprechend hohen Windstärken) gegenüber der Normalbetriebsart verringert wird. Zur näheren Erläuterung wird auf obige Ausführungen verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2 eine Detailansicht eines Umrichters und einer Umrichterregelung der Windenergieanlage gemäß 1;

3 ein Ersatzschaltbild des Generators und sein Anschluss an ein Netz;

4 Kennlinien der Windenergieanlage gemäß 1; und

5 Diagramme zur Wirkung der Erfindung bei verschiedenen Betriebsbedingungen.

Eine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführte Windenergieanlage umfasst einen Turm 1, an dessen oberen Ende ein Maschinenhaus 2 in Azimutrichtung drehbar angeordnet ist. An einer Stirnseite des Maschinenhauses 2 ist ein Windrotor 3 mit mehreren (im dargestellten Beispiel 3) bezüglich ihres Anstellwinkels einstellbaren Rotorblätter 31 angeordnet. Über eine Welle 32 treibt der Windrotor 3 einen im Maschinenhaus 2 angeordneten Generator 4 an. Bei dem Generator handelt es sich um einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit einem Stator und einem Rotor. Weiter sind in dem Maschinenhaus ein Umrichter 5 und eine Betriebssteuerung 6 für die Windenergieanlage angeordnet, die mit einer Umrichterregelung 7 verbunden ist. Letztere steuert die Umrichter und dessen Wechselrichter und stellt unmittelbar die elektrischen Parameter des Umrichters 5 ein. Die von dem Generator 4 in Verbindung mit dem Umrichter 5 bereitgestellte elektrische Leistung wird über eine Leitung 15 und einen üblicherweise im Turmfuß angeordneten Mittelspannungstransformator 19 an ein Netz 9 abgegeben. Bei dem Netz 9 kann es sich um ein öffentliches Übertragungsnetz oder um ein windparkinternes Verbindungsleitungssystem handeln.

Nachfolgend seien der elektrische Anschluss des Generators 4 in Verbindung mit dem Umrichter 5 und dessen Zusammenwirken mit der Umrichterregelung 7 näher beschrieben. Der doppelt gespeiste Asynchrongenerator 4 weist einen Rotor und einen Stator auf. An den Stator ist die Verbindungsleitung 15 unmittelbar angeschlossen. Der Rotor des Generators 4 ist mit dem Umrichter 5 verbunden. Der Umrichter 5 ist in drei Teile gegliedert, einen generatorseitigen Teil 51, einen Zwischenkreis 52 und einen netzseitigen Teil 53. Bei dem generatorseitigen Teil 51 und dem netzseitigen Teil 53 handelt es sich um Wechselrichter. Sie sind mit vorzugsweise vollsteuerbaren Schaltelementen ausgerüstet, wie GTO oder IGBT. Der Wechselrichter des generatorseitigen Teils 51 ist an den Rotor des doppelt gespeisten Generators 4 angeschlossen, und speist über den Zwischenkreis 52 (der als Gleichspannungs- oder Stromkreis ausgeführt sein kann) den Wechselrichter des netzseitigen Bereichs 53, der wiederum über eine Drossel 54 mit der Anschlussleitung 15 verbunden ist.

Die Umrichterregelung 7 weist einen Regelungskern 70 auf, der die Schaltelemente der Wechselrichter des generatorseitigen sowie des netzseitigen Teils 51, 53 ansteuert. Dies geschieht nach Maßgabe von Führungsgrößen, die von der übergeordneten Betriebssteuerung 6 angelegt sind. Im Normalbetrieb werden die Wechselrichter so angesteuert, dass Leistung vom Netz zum Rotor des Generators 4 fließt (untersynchroner Betrieb), keine Leistung durch den Umrichter 5 fließt (synchroner Betrieb) oder im Falle hoher Leistungserzeugung durch den Generator 4 elektrische Leistung aus der Rotorwicklung des Generators 4 entnommen und über den Umrichter 5 in das Netz eingespeist wird (übersynchroner Betrieb). Diese Betriebsweise der Umrichterregelung und des Umrichters ist an sich bekannt und braucht nicht näher erläutert zu werden. Sie ist in dem Regelkern 70 implementiert. Der Regelkern 70 stellt an seinen Ausgangsanschlüssen Steuersignale bereit, welche an die Wechselrichter in dem generatorseitigen bzw. netzseitigen Bereich 51, 53 angelegt sind. Gemäß der Erfindung bestimmt die Umrichterregelung die entsprechenden Steuersignale für die Wechselrichter sowohl in herkömmlicher Weise in einer Normalbetriebsart, aber zusätzlich auch für eine Hochlastbetriebsart. Mittels eines Modusselektors 72 wird die Betriebsart ausgewählt, und die jeweils dazugehörigen Signale an die Wechselrichter übermittelt.

Die Hochlastbetriebsart ist dazu vorgesehen, dass der generatorseitige Wechselrichter 51 derart angesteuert wird, dass der doppelt gespeiste Asynchrongenerator 4 untererregt betrieben wird. Dies bedeutet, dass zusätzlicher induktiver Blindstrom in den Rotor des Generators 4 eingespeist wird. Dieser Blindstrom wirkt senkend auf die Rotorspannung, so dass sicher verhindert werden kann, dass die Rotorspannung auch bei hoher Last mit extremen Drehzahlen (minimal oder maximal) Maximalgrenzwerte überschreitet, also insbesondere nicht größer wird als die maximal vom Umrichter 5 erzeugbare Spannung. Damit wird gewährleistet, dass auch in solchen extremen Fällen der Umrichter 5 wie gewünscht regeln und damit die gewünschten Arbeitspunkte einprägen kann.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Rotorspannungsabsenkung durch Einspeisung induktiven Blindstroms wird auf 3 Bezug genommen. Dargestellt sind als konzentrierte Elemente die Wirk- und Blindwiderstände des Generators 4, der Netzdrossel 54, des Mittelspannungstrafos 19 sowie der Impedanz des als starr angenommenen (d. h. eine konstante Spannung aufweisenden) Netzes 9. Durch das zusätzliche Einspeisen von Blindleistung Q0 in den Rotor des Generators 4 kann der Spannungsabfall über die Impedanz des Generators 4 erhöht werden. Die Rotorspannung UR verringert sich damit gegenüber der Statorspannung US Dies bedeutet, dass durch untererregten Betrieb erfindungsgemäß der Spannungsabfall über den Generator 4 in der Hochlastbetriebsart erhöht und so die Rotorspannung UR wie gewünscht gesenkt werden kann.

Dieser Effekt kann dadurch gesteigert werden, dass durch die Blindleistung Qo und optional weitere (vorzeichgleiche) Blindleistung Q1 des netzseitigen Bereichs 53 in entsprechender Weise der Spannungsabfall &Dgr;UT über die Impedanz des Mittelspannungstransformators 19 und der Spannungsabfall &Dgr;UN über die Impedanz des Netzes erhöht werden können. Auch hierbei wird durch zusätzliches Einspeisen von Blindleistung ein höherer Spannungsabfall erreicht, wodurch bezogen auf die Netzspannung UN die Statorspannung US entsprechend vermindert wird, und damit unter Berücksichtigung des zusätzlichen Spannungsabfalls &Dgr;UD über der Drossel 54 und der internen elektrischen Übersetzung des Generators 4 die Rotorspannung weiter vermindert wird. Insgesamt ergibt sich damit eine signifikante Senkung der Rotorspannung durch ein zusätzliches Einspeisen von Blindleistung Q. Umgekehrt kann durch übererregten Betrieb des netzseitigen Bereichs 53 Blindleistung Q1 mit umgekehrtem Vorzeichen so generiert werden, dass sie bezogen auf das Netz 9 die Blindleistung Q0 (ganz oder teilweise) kompensiert.

Die Wirkung der erfindungsgemäßen Untererregung in der Hochlastbetriebsart ist in den Kennlinien in 4 dargestellt. 4a zeigt die Generatorkennlinie als Funktion der Wirkleistung P über der Drehzahl des Windrotors 3. Der Punkt, bei dem die Nennleistung abgegeben wird, liegt bei 1170 1/min. Bei schwächerem Wind stellt sich eine Drehzahl darunter ein, und es wird entsprechend weniger Wirkleistung abgegeben; bei stärkerem Wind wird auf den genannten Nennleistungspunkt bei 1170 1/min geregelt, und der darüber befindliche Drehzahlbereich mit entsprechend erhöhter Wirkleistungsabgabe nur dynamisch bei Böen erreicht. Entsprechend ist in 4b die Einspeisung von Blindleistung über der Drehzahl dargestellt. Man erkennt, dass bei hohen Drehzahlen durch Untererregung zusätzlicher Blindstrom erzeugt wird. Dieser wirkt, wie vorstehend im Zusammenhang mit 3 erläutert, spannungsabsenkend in Bezug auf die Rotorspannung. Dabei kann der Arbeitspunkt, ab dem zusätzlicher Blind-Strom eingespeist wird, variiert werden, bspw. je nach Bedingung in Bezug auf Über- oder Unterspannung im Netz, Netzfrequenz oder von der Betriebssteuerung 6 angeforderte Blindleistung.

Die Ansteuerung der Hochlastbetriebsart geschieht auf folgende Weise. Der an den Regelkern 70 angeschlossene Modusselektor 72 wird von einem Überwachungsmodul 71 betätigt. An dieses sind ein Eingangssignal für die Spannung an der Rotorwicklung des Generators 4, welche direkt mittels eines Spannungssensors 45 oder indirekt aus einem Ansteuersignal für einen Pulsbreitenmodulator des Umrichters 5 bestimmt wird, und ein Eingangssignal für die Netzfrequenz f angeschlossen, welches über einen nicht dargestellten Sensor bestimmt wird oder von der Betriebssteuerung 6 angelegt ist. Es kann auch die Verwendung alternativer oder zusätzlicher Parameter vorgesehen sein. Das Überwachungsmodul 71 bestimmt anhand vorgebbarer Grenzwerte, wann eine Normalbetriebsart in die Hochlastbetriebsart umgeschaltet wird, und betätigt entsprechend den Modusselektor 72. Durch den Modusselektor 72 wird in der Hochlastbetriebsart der generatorseitige Bereich 51 des Umrichters 5 derart angesteuert, dass der Rotor des Generators 4 untererregt wird. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mittels eines Zusatzschaltmoduls 73 der Modusselektor auf den netzseitigen Bereich 53 des Umrichters 5 einwirkt. Er kann ebenfalls untererregt betrieben werden, oder übererregt betrieben werden, oder er kann im neutralen Betrieb bleiben. Der untererregte Betrieb wird dann gewählt, wenn die Spannungsabsenkung möglichst hoch sein soll und eine Rückwirkung auf das Netz keine oder nur eine geringe Rolle spielt; dieser Modus bietet sich insbesondere dann an, wenn die Rotorspannung mit höchster Priorität gesenkt werden soll. Die Übererregung würde gewählt, wenn die Auswirkungen auf das Netz möglichst gering gehalten werden sollen. Im Idealfall wird die Übererregung so eingestellt, dass sich am Netz (siehe 3) eine Kompensation mit dem über den Rotor untererregten Generator ergibt. Die zur Spannungsabsenkung genutzte induktive Blindleistung Q0 des Generators 4 fließt dabei nicht oder zumindest nicht vollständig ins Netz, sondern fließt als Blindleistung Q1 in den netzseitigen Bereich 53 des Umrichters 5, so dass keine bzw. nur kaum Blindleistung Q ins Netz 9 gelangt. Damit wird zwar nur eine etwas geringere Absenkung der Rotorspannung erreicht, dafür aber verhält sich die Windenergieanlage neutral gegenüber dem Netz.

Schließlich kann eine neutrale Einstellung gewählt werden, wenn der Umrichter 4 keine weitere Stromreserve zur Erzeugung von Blindstrom hat, also insbesondere bei hoher Belastung, bspw. aufgrund von Böen.

Alternativ oder zusätzlich kann das Zusatzschaltmodulmodul 73 dazu ausgebildet sein, mit einer Kompensationsanlage 90 zusammenzuwirken. Dies kann in der Weise erfolgen, dass die Kompensationsanlage 90 gezielt mit zur Erzeugung von Blindstrom genutzt wird. Da eine Kompensationsanlage in der Regel ohnehin vorhanden ist, kann auf diese Weise mit geringstem Zusatzaufwand das Blindleistungsangebot erhöht werden. Dies gilt insbesondere für die Betriebsart, bei der der netzseitige Bereich 53 des Umrichters 5 übererregt betrieben wird.

Die im Betrieb erreichten Kennlinien sind für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in 5 dargestellt. 5a zeigt die durch Einspeisung von Blindleistung erreichte Änderung der Rotorspannung, und zwar für verschiedene Netzfrequenzen. Auf der Abszisse ist die erzeugte Blindleistung abgetragen, wobei negative Werte für induktive Blindleistung stehen, also untererregtem Betrieb. Auf der Ordinate ist die mit der jeweils eingespeisten Blindleistung erreichte Rotorspannung UR abgetragen, und zwar für Netzfrequenzen von 50,5 Hz und 47,5 Hz. Die Grenzspannung für die Rotorspannung beträgt 750 V (gestrichelte Linie). Man erkennt, dass mit der erfindungsgemäßen Einspeisung von Blindleistung im untererregten Betrieb die Rotorspannung auch unter ungünstigsten Bedingungen (Netzfrequenz 47,5 Hz) unterhalb des Grenzwerts gehalten werden kann.

In 5b ist entsprechend der Rotorstrom IR über der Blindleistung Q dargestellt. Man erkennt, dass bei einem mäßigen untererregten Betrieb (Blindleistungseinspeisung zwischen –500 und –3000 kVA) der Rotorstrom die niedrigsten Werte erreicht, während bei größerer Einspeisung von Blindleistung der Rotorstrom deutlich zunimmt. In 5c und 5d sind entsprechend die Statorspannung US und der Statorstrom IS dargestellt, wobei die gepunktete Linie den Nennstrom darstellt.

Die Diagramme in den 5a bis 5d beziehen sich auf einen Hochlastfall unter ungünstigen Bedingungen, mit einer Drehzahl des Rotors oberhalb der Nenndrehzahl (1330 1/min gegenüber 1170 1/min) und höchst zulässiger Spannung am Anschluss des Mittelspannungstransformators 19 an das Netz 9 in Höhe von 110% der Netzspannung. Man erkennt, dass auch unter diesen äußerst ungünstigen Bedingungen durch die Einspeisung von Blindleistung die Spannungen unterhalb der Grenzwerte gehalten werden können. Damit kann dieser Drehzahlbereich auch bei hohen Netzspannungen benutzt werden, ohne dass es zu schädlicher Überspannung am Rotor des Generators 4 kommt. Da dieser Drehzahlbereich typischerweise nur im dynamischen Kurzzeitbetrieb erreicht wird (insbesondere bei Böen), belastet der zusätzliche Blindstrom zur Erzeugung der Blindleistung das aus Generator 4 und Umrichter 5 gebildete System kaum, so dass auch kurzfristige hohe Ströme toleriert werden können. Die Erfindung erreicht damit, dass auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen, wie Überspannung im Netz, der obere Drehzahlbereich für den Betrieb der Anlage erhalten bleibt. Der nutzbare Drehzahlbereich wird damit nach oben erweitert, ohne dass dazu aufwendige, teure Hardware durch einen verstärkten Umrichter erforderlich ist.


Anspruch[de]
Windenergieanlage mit einem Windrotor (3), einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator (4) und einem Umrichter (5) zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Netz (9), wobei ein generatorseitiger Teil (51) des Umrichters an einen Rotor und ein netzseitiger Teil (53) an einen Stator des Generators (4) angeschlossen sind, und einer Steuereinrichtung (6) mit einer Umrichterreglung (7) vorgesehen ist, die den Umrichter (5) auf Basis von vorgegebenen Netzparametern regelt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modusselektor (72) vorgesehen ist, der mit der Umrichterregelung (7) derart zusammenwirkt, dass sie zwischen zwei Betriebsarten umschaltbar ist, einer Normalbetriebsart und einer Hochlastbetriebsart, bei der die Erregung des Generators (4) gegenüber der Normalbetriebsart vermindert ist. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotorspannungsüberwachungsmodul (71) vorgesehen ist, das zur Betätigung des Modusselektors (72) in Abhängigkeit von der Spannung am Rotor des Generators (4) ausgebildet ist. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochlastbetriebsart eine Regelung der Rotorspannung auf einen einstellbaren Niederwert erfolgt. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltschwelle des Modusselektors (72) in Abhängigkeit von der Netzfrequenz variiert ist. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Modusselektor (72) auf beide Wechselrichter (51, 53) des Umrichters (5) wirkt. Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzschaltmodul (73) für den netzseitigen Wechselrichter (53) vorgesehen ist, der diesen in eine unter-, neutral- oder übererregte Betriebsart bringt. Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzschaltmodul (73) so ausgebildet ist, den netzseitigen Wechselrichter (53) für maximale Absenkung der Rotorspannung in die untererregte Betriebsart zu bringen. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzschaltmodul (73) derart mit einer Kompensationsanlage (90) verbunden ist, dass sie den netzseitigen Wechselrichter (53) unterstützt. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichterregelung (7) die Rotorspannung misst und sobald die Rotorspannung einen vorgebbaren Grenzwert übersteigt Schutzeinrichtungen aktiviert und/oder Regelungsverfahren vornimmt, um die Rotorspannung unter den vorgebbaren Grenzwert abzusenken. Verfahren zum Regeln einer Windenergieanlage mit einem durch einen Windrotor (3) angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator (4), welcher mit einem Umrichter (5) elektrische Leistung in ein Netz (9) einspeist, wobei eine Steuereinrichtung (6) mit einer Umrichterregelung (7) vorgesehen ist, die den Umrichter auf Basis von vorgegebenen Netzparametern regelt, gekennzeichnet durch Umschalten zwischen einer Normalbetriebsart und einer Hochlastbetriebsart, bei der die Erregung des doppelt gespeisten Asynchrongenerators (4) gegenüber der Normalbetriebsart vermindert ist. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten in Abhängigkeit von der Spannung am Rotor des Generators (4) erfolgt. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochlastbetriebsart eine Regelung der Rotorspannung auf ein einstellbarer Niederpferd erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten bei einer Schaltschwelle erfolgt, die in Abhängigkeit von der Netzfrequenz variiert würde. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Hochlastbetriebsart des netzseitigen Wechselrichters umgeschaltet wird. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten in der Weise erfolgt, dass der Wechselrichter in einer Unter-, Neutral- oder Übererregten Betriebsart betrieben wird. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der netzseitige Wechselrichter (53) für maximale Absenkung der Rotorspannung in der Untereregten Betriebsart betrieben wird. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zu Schalten einer Kompensationsanlage (90) zur Unterstützung des netzseitigen Wechselrichter (53) in der Hochlastbetriebsart. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Messen der Rotorspannung und aktivieren von Schutzeinrichtungen oder durchführen anderer Regelungsverfahren am Überschreiten vorgebbaren Grenzwertes, um die Rotorspannung unter den vorgebbaren Grenzwert abzusenken. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch Verwenden eines Modusselektors, der gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 ausgebildet ist.






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