AT391385B - Regelungs- u. steuerungssystem fuer eine windkraftanlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Regelungs- und Steuerungssystem für eine Windkraftanlage, bestehend aus einer Windturbine und einem von dieser angetriebenen Synchrongenerator, wobei die Windturbine als ein um eine Achse drehbarer Rotor mit verstellbaren Rotorblättern ausgeführt ist und aus dem jeweiligen Turbinendrehzahlistwert verschiedene elektrische Vorgabewerte gebildet sind.

Die Bemühungen von Technikern in aller Welt, vorhandene Energiequellen auf wirtschaftliche Art zu nutzen, waren in den letzten Jahren von großen Fortschritten gekennzeichnet. Auch im Bereich der Windkraftanlagen sind beachtliche Weiterentwicklungen zu beobachten.

Windkraftanlagen dienen zur Umformung der im Wind enthaltenen Energie in elektrische Energie. Dabei wir im Prinzip ein Windrad mit propellerartigen Flügeln auf einer horizontalen oder vertikalen Achse montiert. Diese Achse ist, üblicherweise über ein Getriebe, mit einem Generator verbunden.

In der Praxis hat sich erwiesen, daß wegen der wesentlich geringeren Baukosten und der besseren Regel- und Steuerbarkeit, hauptsächlich aber wegen des wesentlich höheren Wirkungsgrades, ausschließlich Windkraftanlagen mit einem Windrad auf einer horizontalen Welle wirtschaftlich sind, sich also innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne amortisieren.

Der Wind ist in Bodennähe ungleichmäßig und deshalb für die Lieferung von Energie ungeeignet. Mit zunehmender Höhe über dem Boden steigt jedoch nicht nur die Häufigkeit, sonder auch die Geschwindigkeit des Windes sehr stark an. Aus diesem Grund erfolgt die Montage von Windkraftwerken auf hohen Türmen. Für kleine und mittlere Anlagen werden dafür vorzugsweise, um dem Wind eine möglichst geringe Angriffsfläche bieten, Gittertürme aufgestellt. Aus Stabilitätsgründen sind jedoch für große Anlagen Rohrtürme zu verwenden.

Ursprünglich wurde angenommen, Windkraftanlagen seien nur bei Aufstellung in flachen Gebieten, vor allem in windreichen Küstengebieten, in der Lage, elektrische Energie zu einem wirtschaftlich vertretbaren Preis zu liefern. Prinzipiell können jedoch die verschiedensten Gebiete, beispielsweise auch Alpengebiete, für die Aufstellung von Windkraftanlagen geeignet sein. Vor der Platzwahl für derartige Anlagen ist lediglich der langjährige durchschnittliche Windanfall in der jeweiligen Gegend zu eruieren und in Rechnung zu stellen.

Die tatsächliche Ursache für die immer noch nicht praktikable Nutzung der Windenergie ist nicht der Mangel an geeigneten Aufstellungsorten, sondern die bislang ungenügende Regel- und Steuerbarkeit der Windkraftanlagen.

Eine der bisher üblichen Regelungen von Windkraftanlagen ist mechanischer Art Dabei wird die Drehzahl der Windturbine durch Veränderung des Anstellwinkels der Rotorblätter durchgeführt Nachteilig sind bei diesem System sowohl die langsame Ansprechzeit als auch die ungenügende Ansprechgenauigkeit

Es sind auch elektronische Regelungen bekannt, die jedoch zum einen nicht sämtliche zu einer exakten Regelung nötigen Parameter verarbeiten, zum anderen eine große Störanfälligkeit aufweisen.

Aufgabe dar Erfindung ist es daher, ein Regelungs- und Steuerungssystem zu schaffen, welches sämtliche auf eine Windkraftanlage einwirkenden Parameter während des gesamten Betriebsablaufes sofort aufnimmt und berücksichtigt, sowie vollautomatisch arbeitet und eine sichere Abgabe elektrischer Energie mit konstanter Spannung und stabiler Phasenlage gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinendrehzahlistwert jeweils dem Eingang einer ersten Glättungsstufe erster Ordnung und eines ersten aktiven Filters und eines zweiten aktiven Filters und einer zweiten Glättungsstufe erster Ordnung sowie eines ersten Kurvenbildners zugeführt ist, und daß der Ausgang der ersten Glättungsstufe erster Ordnung mit dem Eingang eines Leistungssollwertgebers verbunden ist, und daß der Ausgang des Leistungssollwertgebers mit dem Eingang einer Leistungsbegrenzungsstufe verbunden ist, und daß der Ausgang der Leistungsbegrenzungsstufe mit einem ersten Eingang eines PID-Leistungsreglers und dem Eingang einer dritten Glättungsstufe erster Ordnung sowie dem Ausgang des ersten aktiven Filters verbunden ist, und daß der Eingang eines zweiten Kurvenbildners mit dem Ausgang der dritten Glättungsstufe erster Ordnung verbunden ist, und daß der Ausgang der PID-Leistungsreglers mit einem ersten Eingang eines Stromreglers und dem Ausgang des aktiven Filters verbunden ist, und daß der Ausgang des Stromreglers, indirekt über Gittersteuersatz und Thyristoren, mit einem Stromversorgungsnetz verbunden ist, und daß der Stromistwert einem zweiten Eingang des Stromreglers zugeführt ist, und daß der Leistungsistwert einem zweiten Eingang des PID-Leistungsreglers zugeführt ist, und daß der Ausgang der zweiten Glättungsstufe erster Ordnung mit einem ersten Eingang eines PID-Drehzahlreglers verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Drehzahlreglers mit einem ersten Eingang eines Rotorblattwinkelreglers und damit dem Ausgang des zweiten Kurvenbildners sowie mit einem Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer verbunden ist, und daß der Drehzahlsollwert einem zweiten Eingang des PID-Drehzahlreglers zugeführt ist, und daß er Rotorblattwinkelistwert einen zweiten Eingang des Rotorblattwinkelreglers zugeführt ist, und daß der Ausgang des Rotorblattwinkelreglers mit einem Rotorblattverstellungsmechanismus verbunden ist, und daß der Ausgang des ersten Kurvenbildners mit einem ersten Eingang eines PID-Spannungsreglers verbunden ist, der Ausgang des PID-Spannungsreglers mit einem ersten Eingang eines unterlegten Feldstromreglers verbunden ist, und daß der Ausgang des unterlegten Feldstromreglers über einen Gittersteuersatz mit der Feldwicklung einer Wechselstromerregermaschine verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang des unterlegten Feldstromreglers über einen Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler mit einem dritten Eingang des unterlegten Feldstromreglers verbunden ist, und daß die Generatoristspannung der Wechselspannungsseite eines Gleichrichters zugeführt ist, -2-

Nr. 391 385 und daß die Gleichspannungsseite des Gleichrichters über ein drittes aktives Filter mit einem zweiten Eingang des PID-Spannungsreglers verbunden ist.

Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die Windkraftanlage bei genügend Windanfall vollautomatisch an- und hochfährt und sowohl der Betrieb als auch die Stillsetzung bei ungenügendem Windanfall ebenfalls vollautomatisch verlaufen. Durch den hohen Automatisierungsgrad ist es möglich, die gesamte Anlage völlig unbemannt zu betreiben. Dadurch werden, vor allem bei einem Gesamtverband von mehreren Windkraftanlagen, beträchtliche Personalkosteneinsparungen erzielt. Es sind selbstverständlich die entsprechenden Wartungsintervalle zu beachten und einzuhalten.

Im vollautomatischen Betrieb wird die Anlage immer der jeweiligen Windrichtung nachgeführt. Bei entsprechender Windgeschwindigkeit wird die Turbine hochgefahren; dabei werden Drehzahl und Leistung, gemäß den eingestellten Vorgabewerten, in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit geregelt. Alle Parameter, wie beispielsweise Turbinendrehzahl, Windrichtung, Generatorleistung sowie an diversen Ablageteilen auftretende Temperaturen werden laufend überwacht. Ändert sich einer dieser Parameter, werden automatisch die entsprechenden Vorkehrungen getroffen, um die Anlage entweder im optimalen Betriebspunkt weiterzufahren oder, bei Erreichen von Grenzwerten, ein sicheres Abstellen zu gewährleisten.

Zudem werden durch Windböen hervorgerufene Turbinendrehzahländerungen ohne Verzögerung erfaßt und die Generatorrotordrehzahl stabilisiert; bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten erfolgt eine Begrenzung von Generatorrotordrehzahl und Generatorleistung. Die windabhängige Turbinendrehzahlführung ist bei diesem System auf einem Verfahren aufgebaut, das die Turbine selbst als indirektes Windmeßsystem benutzt. Ein stark schwankendes Windangebot wirkt sich durch eine ebenso stark schwankende Drehzahländerung der Turbine aus. Durch diese direkte Drehzahlerfassung an der Turbinenwelle ist es möglich, mit dem Leistungsdrehzahlregler unmittelbar nach erfolgter Drehzahländerung den Sollwert für die Leistungsabgabe zu bilden.

Damit ist es möglich, die Turbine immer im optimalen Wirkungsgrad zu fahren. Aus dem erfaßten Drehzahlwert wird aber auch gleichzeitig, bei hohen Windgeschwindigkeiten, eine Begrenzung der Drehzahl und der Leistung auf die eingestellten Grenzwerte erreicht.

Weiters ist vorteilhaft, daß das erfindungsgemäße Regelungs- und Steuerungssystem eine konstante Spannnungshaltung der Metzspannung erlaubt und eine stabile Phasenlage der Netzabgabeleistung ermöglicht, d. h., die Abgabe von Wirkleistung in das Netz ist bei gleichbleibender Windgeschwindigkeit konstant und optimal an die Erzeugung durch das Windrad angepaßt. Dies erfordert, trotz konstanter Netzfrequenz, eine variable Drehzahl des mit dem Windrad gekoppelten Generators.

Die Spannungsregelung des Generators erfolgt über eine bürstenlose Wechselstromerregermaschine auf eine der Drehzahl des Generators proportionale Ausgangsspannung. Damit ist der Synchrongenerator optimal ausnützbar und zur Abgabe von Wirkleistung an einen Gleichstromzwischenkieis fähig.

Dieser Gleichstromzwischenkreis speist einen netzgeführten Umrichter, welcher die Wirkleistungsabgabe an das Netz ermöglicht. Die Regeleinrichtung des Synchrongenerators hat nicht nur die Regelung der Synchrongeneratorspannung proportional der Drehzahl zu bewirken, sondern auch bei konstanter Nenndrehzahl bzw. kurzzeitiger Überdrehzahl die Generatorspannung proportional der Netzspannung zu regeln. Dies ist für die sichere Funktion des netzgeführten Umrichters erforderlich.

Eine besondere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein erster Eingang einer Überwachungseinheit, welche Fehler im PID-Spannungsregler und im Synchrongenerator erkennt, mit dem zweiten Eingang des PID-Spannungsreglers verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang der Überwachungseinheit mit dem ersten Eingang des PID-Spannungsreglers verbunden ist, und daß der Ausgang der Überwachungseinheit über einen Komparator und über ein Zeitglied mit einem Auslösemechanismus zur Generatorabschaltung verbunden ist.

Durch diese erfindungsgemäße Anordnung werden sowohl Fehler in der Regelelektronik des Generatorspannungsreglers erkannt, als auch Fehler im Generator selbst, wie Windungsschlüsse, Wicklungsunterbrechungen und Erdschlüsse. Die Überwachungseinrichtungen ermöglichen es, den Generator und damit die Gesamtanlage im Fehlerfall zu schützen.

Daraus ergibt sich auch der Vorteil, daß beim Auftreten von Fehlerfällen diese rasch erkannt und damit die Standzeiten der Anlage reduziert werden. Weiters ist vorteilhaft, daß somit ein komplizierter und sehr teurer Generatorschutz entfällt

An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1, in Form einer Prinzipzeichnung, alle mechanischen, regelungs- und steuerungstechnischen sowie EDV-Hauptkomponenten einer kompletten Windkraftanlage. In Fig. 2 ist, als Blockschaltbild, das erfindungsgemäße Regelungs- und Steuerungssystem mit Spannungs-, Leistungs- und Drehzahlregelung, sowie die Generatorüberwachung dargestellt.

Die für eine Windkraftanlage wichtigste Kenngröße ist die Drehzahl. Bei der vorliegenden Windkraftanlage wird die Windturbine selbst als indirektes Windmeßsystem benutzt, da ein direkter Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit, Turbinen- und Generator-Rotordrehzahl sowie Generatorleistung besteht. Aus dem jeweiligen Turbinendrehzahlistwert werden die Vorgabewerte für die verschiedenen elektrischen Kenngrößen gebildet. Die Drehzahlmessung muß exakt erfolgen, da durch ungenaue Vorgabewerte der Wirkungsgrad des Windturbinenflügels abnimmt. Diese Zusammenhänge sind aus den Kennlinien des jeweiligen -3-

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Windturbinenflügels, der im vorliegenden Fall ein Schnelläufer - und zwar ein Drehblatt-Rotor - ist, entnommen werden.

Die Erfindung ermöglicht es, große Drehzahländerungen, hervorgerufen durch Windböen, rasch und ohne Verzögerung zu erfassen und mit der Regelung sofort einzugreifen. Zu langsame Regelstrecken würden bei Böen zu einem großen Anstieg der Drehzahl führen. Im vorliegenden Fall ist der Drehzahlanstieg auf maximal 5 % über dem Nenndrehzahlwert begrenzt.

Im Automatikbetrieb fahrt die Windkraftanlage selbständig hoch, wenn genug Wind vorhanden ist und keine Gefahrmeldung ansteht. Es ist auch eine Umschaltung von Automatik- auf Handbetrieb möglich; selbstverständlich bleiben dabei die Not-Aus-Gefahrmeldungen berücksichtigt.

Die für die elektrische Energieerzeugung nötigen mechanischen und elektrische komponenten befinden sich auf einer drehbaren Gondel, die am Turmkopf angebracht ist. Entsprechend dem wechselnden Windwegverlauf wird die Gondel jeweils dem Wind nachgeführt. Im vorliegenden Fall ist die dazu notwendige Steuerung elektrisch, während die Bremsung der Gondel hydraulisch durchgeführt wird. Diese gesamte Dreheinrichtung wird auch als Azimut bezeichnet.

Wie in Fig. 1 ersichtlich, treibt eine Windturbine (50) über ein Umsetzgetriebe (51) einen Synchrongenerator (52) an. Einer Eingabeeinheit (53) einer freiprogrammierbaren Steuerung (56) sind alle digitalen und analogen Eingangssignale einer kompletten Windkraftanlage zugeführt

Hierbei handelt es sich um folgende Informationen: Umsetzgetriebe-Temperatur (71), Umsetzgetriebe-Ölstand (72), Azimutbremsen-Verschleiß (74), (75), Rotorbremsen-Verschleiß (73), (78), Synchrongeneratortemperatur (76), Synchrongeneratordrehzahl (77), Synchrongeneratorerregung (79), Blattposition (80), Gondelstellung (81), Azimut-Vibration (82), Windgeschwindigkeit (83), Windrichtung (84), Azimutstellung (85), Hydrauliköltemperatur (86), Hydraulikölddruck (87), Hydraulikölstand (88), Windturbinenblatt-Stellung (89), Windturbinenblatt-Segelstellung (90), Hydraulikaggregat-Zustand (91), Ansteuerung der hydraulischen Rotorbremsen (92), Ansteuerung der hydraulischen Azimutbremsen (93), Ansteuerung der hydraulischen Windturbinenblatt-Verstellung (94), Ansteuerung des Hydraulikdrosselventils (95). Die Windturbinendrehzahl (70) wird über Zahnflanken (96) mittels eines Aufnehmers (97) erfaßt.

Die freiprogrammierbare Steuerung (56) ist ein modular aufgebautes Mikroprozessorsystem und besteht aus den folgenden Einheiten: Modul für digitale Eingänge (58), Modul für analoge Eingänge (59), Anzeigefeld (60), Bedienfeld (61), Modul für digitale Ausgänge (63), Modul für analoge Ausgänge (64), Bus-System (65), Rechner (62) und Hilfs-Relais (57). Diese Einheiten sind miteinander durch einen Verdrahtungsprint verbunden.

Von der Eingabeeinheit (53) werden die digitalen und die analogen Eingänge den jeweils zugeordneten Einheiten (58), (59) der freiprogrammierbaren Steuerung (56) zugeführt. Das Setzen der digitalen und der analogen Ausgänge erfolgt über das integrierte Rechnersystem. Die gesetzten digitalen und analogen Ausgänge werden den entsprechenden Anlagenkomponenten zugeleitet Dabei werden die digitalen Ausgänge (63) über Hilfsrelais (57) geführt deren Aufgabe es ist, die digitalen Ausgangssignale der freiprogrammierbaren Steuerung (56) auf das Niveau der Steuerspannung umzusetzen. Durch das jeweilige Anwenderprogramm sind die digitalen und analogen Ein- und Ausgänge softwaremäßig verknüpft

Mit einem Personalcomputer (66) und einem Drucker (67) ist es möglich, die gesamten Informationen abzuspeichem und weiterzuverarbeiten. Zu diesem Zweck ist die freiprogrammierbare Steuerung (56) über eine serielle Schnittstelle mit dem Personalcomputer (66) verbunden.

Eine Umrichterkaskade (55) und eine Erregereinheit (54) werden von dar freiprogrammierbaren Steuerung (56) entsprechend der vorgegebenen Leistungs-Drehzahl-Kennlinie geführt. Eine Leitung (98) führt von der Umrichterkaskade (55) zum Stromversorgungsnetz.

Wie Fig. 2 zeigt, wird der über eine Leitung (40) zugeführte Turbinendrehzahlistwert in einer Glättungsstufe erster Ordnung (1) vorerst geglättet und einem Leistungssollwertgeber (= Kurvenbildner) (2) zugeführt. Eine Glättung ist unbedingt notwendig, da dem Turbinendrehzahlistwert überlicherweise einige Frequenzen überlagert sind. Ohne vorherige Glättung würde durch die hohe Verstärkung im nachfolgenden, digital aufgebauten PID-Leistungsregler (5) eine Schwingung des Leistungssollwertes entstehen.

Man unterscheidet zwei Arten von Frequenzüberlagerungen. Der vor dem Turm, in Windrichtung gesehen, auftretende Windstau entlastet den Windturbinenflügel beim Durchgang durch die vertikale Turmachse. Diese Entlastung ruft eine Leistungsschwankung und dadurch eine Drehzahländerung hervor. Die dem Turbinendrehzahlistwert überlagerte Frequenz, hervorgerufen durch die Flügelentlastung, ist drei Mal so groß als die Rotorfrequenz. Zusätzlich ändert sich diese Frequenz noch mit variabler Tuibinenrotordrehzahl.

Weiters überlagert eine in Phasen mit den Turmschwingungen liegende Frequenz den Turbinendrehzahlistwert. Diese Frequenz entsteht durch die Änderung der relativen Windgeschwindigkeit zu den Windturbinenflügeln. Schwingt der Turm entgegen der Windrichtung, so entsteht ein Leistungsüberschuß, der zu einer Turbinendrehzahlerhöhung führt (= Vergrößerung der relativen Windgeschwindigkeit). Schwingt der Turm mit der Windrichtung, ist genau die umgekehrte Erscheinung zu beobachten. Im Gegensatz zum ersten Fall bleibt dieser Frequenz aber konstant -4-

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Die Glättungsstufe erster Ordnung (1) ist so ausgelegt, daß die Gesamtregelzeit nicht zu langsam wird und daß Leistungssollwertänderungen, hervorgerufen durch Drehzahländerungen (= überlagerte Frequenzen), limitiert werden.

Mittels des Leistungssollwertgebers (2) ist es möglich, die der Windturbinenflügelkennlinie zugeordnete Größe von maximaler Leistung und Drehzahl (= optimaler Wirkungsgrad) vorzugeben. Mit der dem Leistungssollwertgeber (2) nachgeschalteten Leistungsbegrenzungsstufe (3) wird die an ein Stromversorgungsnetz abgegebenen Leistung limitiert bzw. stufenlos, je nach externen Vorgaben, im Bereich von Null bis Nennleistung verstellt. Das gesamt übrige Regelsystem bleibt dabei voll aktiv.

Ein aktives Filter (4) wirkt direkt auf den PID-Leistungsregler (5). Wie bereits erwähnt, treten im Turbinendrehzahlistwert überlagerte Frequenzen auf. Durch das speziell ausgelegte aktive Filter (4) wird nur eine überlagerte Frequenz ausgesiebt und dem gewonnenen Leistungsollwertsignal zugeführt. Das dadurch neu entstandene Leistungssollwertsignal wirkt auf die Turmschwingung positiv dämpfend. Somit werden die durch plötzlich auftretende Windböen hervorgerufenen Turmschwingungen schon im Anfangsstadium der Entstehung bekämpft. Dadurch wird eine geringere Belastung und eine längere Lebensdauer der Windkraftanlage erreicht

Die durch die Turmschwingungen auftretenden Leistungsschwankungen sind, auf die Synchrongeneratomennleistung bezogen, sehr gering und haben keinen Einfluß auf das Stromversorgungsnetz.

Der PID-Leistungsregler (5) hat folgende Aufgaben zu erfüllen: In Verbindung mit dem Synchrongenerator und der Umrichterkaskade (55) erfolgt eine gleitende Drehzahlführung. Das windabhängige schwankende Drehmoment führt zu Turbinendrehzahländerung, was wiederum zu stark schwankenden Leistungsollwertvorgaben führt. Durch eine entsprechende Dämpfung des PID-Leistungsreglers (5) werden Leistungschwankungen geglättet, indem die großen Massen des Windturbinenflügels und des -rotors als Kurzzeitpufferspeicher benutzt werden,

Ein aktives Filter (6) wirkt direkt auf einen in Analogtechnik ausgeführten, unterlegten Stromregler (7). Das aktive Filter (6) siebt überlagerte Frequenzen aus und führt sie dem Stromregler (7) zu. Auftretende Schwingungen der Windturbinenrotorblätter werden dadurch reduziert, woraus sich wiederum eine geringe Belastung und eine längere Lebensdauer der Windkraftanlage ergibt. Dieses zweites aktive Filter (6), das direkt auf den Stromregler (7) wirkt, wird deshalb gewählt, weil die relativ hohe Frequenz der aufretenden Schwingung vom bedämpften PID-Leistungsregler (5) nicht berücksichtigt wird.

Der ebenfalls in Fig. 2 dargestellte PID-Drehzahlregler (12) ist digital aufgebaut. Der dem PID-Drehzahlregler (12) unterlegte Rotorblattwinkelregler (15) ist in Analogtechnik ausgeführt. In einer Glättungsstufe erster Ordnung (11) wird der Turbinendrehzahlistwert wiederum geglättet, bevor er dem PID-Drehzahlregler (12) zugeführt wird. Der PID-Drehzahlregler (12) wird erst aktiv, wenn der eingestellte Nenndrehzahlsollwert überschritten wird. Der Nenndrehzahlsollwert wird über den maximalen Drehzahlwert der Leistungsbegrenzungsstufe (3) gelegt Dadurch reagiert der PID-Drehzahlregler (12) erst nach Überschreiten des Drehzahlwertes der Leistungsbegrenzungsstufe (3). Damit wird bei stetigem Windüberangebot die Leistung konstant auf Nennleistung gehalten. Der PID-Drehzahlregler (12) wird so ausgelegt, daß auch bei starken Windböen die Nenndrehzahl um maximal 5 % überschritten wird. Dies darf selbstverständlich nicht zu einem verstärkten Regeln des Windturbinenrotorblattes führen, weil eine Verkürzung der Lebensdauer der Hydraulik die Folge davon wäre.

Ab einer vorgegebenen Leistung wird das Windturbinenrotorblatt nachgeführt. Dies ist notwendig, weil das Windturbinenrotorblatt sonst durch den Stalleffekt an Leistung verlieren würde. Stalleffekt heißt, daß bei Erreichen einer bestimmten Leistung eine Verdrehung des Windturbinenrotorblattes durch die Eigenelastizität erfolgt. Würde man dies nicht verhindern, käme es zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Windturbinenrotorblattes.

Weiters notwendig ist ein große Glättung des Leistungssollwertes, weil ansonsten ein dauerndes Regeln des Windturbinenblattwinkels erfolgen würde. Ein aus einer Glättungsstufe erster Ordnung (13) gewonnenes Signal wird einem Kurvenbildner (14) zugeführt. Damit ist es möglich, den der Leistung zugeordneten Windturbinenblattwinkel vorzugeben und somit dem optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Der Rotorblattwinkelregler (15) ist in Analogtechnik ausgeführt und wirkt auf einen Hydraulikzylinder, welcher die Winkelverstellung des Windturbinenblattes ausführt.

Beim Anfahren der Windkraftanlage wird das Windturbinenblatt durch eine Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16) langsam angezogen. Dadurch wird eine geringere Belastung der gesamten Flügelverstellmechanik gewährleistet. Bei wenig Wind wird dadurch die Windradanlage rascher auf Drehzahl gebracht Bei starkem Wind hingegen wird der Windturbinenrohr konstant beschleunigt, um die Anlagenbelastung klein zu halten. Der PID-Drehzahlregler (12) übernimmt dann, je nach Drehzahl, stufenlos und überbrückt den Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16). Beim Abfahren der Windkraftanlage wird das Windturbinenblatt ebenfalls langsam in Segelstellung gebracht. Dadurch kommt es zu keinem ruckartigen Abreißen der Strömung am Windturbinenblatt, weil eben die Veränderung der Belastung langsam durchgeführt wird. Ein Ausnahmefall tritt selbstverständlich dann auf, wenn bei einer Notabschaltung der Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16) inaktiv ist.

Mit einer Spannungsregelungsschaltung wird die abgegebene Spannung des Synchrongenerators geregelt und dessen Erregermaschine überwacht Die vollständige Erregungseinheit besteht aus einem PID-Spannungsregler (22) und einer Überwachungseinheit (31), welche sowohl Fehler im PID-Spannungsregler (22) als auch im -5-

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Synchrongenerator erkennt und im Bedarfsfall eine Schutzabschaltung einleitet. Der PID-Spannungsregler (22) ist mit einem auf den Feldstrom der Erregermaschine wirkenden, unterlegten Feldstromregler (23) verbunden. Ein Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler (24) wirkt im Fehlerfall zusätzlich auf den unterlegten Feldstromregler (23) ein. Mit dem PID-Spannungsiegler (22) ist die Synchrongeneratorspannung im Bereich der Synchrongeneratorfrequenz von 20 bis 60 Hertz fiequenzproportional regelbar. Bei noch höheren Frequenzen wird die Spannung auf einem konstanten Wert gehalten. Der PID-Spannungsregler (22) gewährleistet sowohl hohe statische Genauigkeit als auch ein optimales Regelverhalten. Die Ausgangsspannung des PID-Spannungsreglers (22) ist dem unterlegten Feldstromregler (23), welcher als P-Regler mit konstanter Verstärkung ausgebildet ist, als Sollwert des Feldstromes zugeführt. Die Ausgangsspannung des unterlegten Feldstromreglers (23) wiederum wirkt auf einen Gittersteuersatz (26).

Der Turbinendrehzahlistwert ist dem PID-Spannungsregler (22) über einen Kurvenbildner (21) zugeführt. Die Spannungsversorgung des PID-Spannungsreglers (22) erfolgt über einen Gleichrichter (27) mit nachgeschaltetem aktivem Filter (25).

Auch die Spannungsversorgung einer Überwachungseinheit (31) erfolgt über den Gleichrichter (27) mit nachgeschaltetem aktivem Filter (25). Die Teilspannungen des PID-Spannungsreglers (22) werden von der Überwachungseinheit (31) auf Ausfall überwacht. Fällt eine Teilspannung aus, so führt dies zu einer Abschaltung der Windkraftanlage. Ein weiteres Abschaltkriterium wird aus dem Sollwert-Istwert-Vergleich der Synchrongeneratorspannung in einer Vergleichsschaltung gewonnen.

Zur Beurteilung eines Regler- oder Generatorfehlers wird die Abweichung der Synchrongeneratorspannung gegenüber ihrem Sollwert gemessen. Weicht die Generatorspannung um mehr als eine einstellbare Differenzspannung während einer längeren Zeit als einer einstellbaren Verzögerungszeit ab, dann liegt ein Regleroder Generatorfehler vor und eine Abschaltung wird eingeleitet. Der Auslösemechanismus für die Generatorabschaltung wird über einen Komparator (32) und einen Zeitglied (33) angesteuert.

Mit dieser Anordnung können sowohl Fehler im PID-Spannungsregler (22), die auf eine Fehlfunktion des Reglers zurückgehen, festgestellt werden, als auch Fehler, die sich in Synchrongenerator selbst befinden. Zur Feststellung eines Generatorfehlers wird zusätzlich der Feldstrom des Synchrongenerators durch den Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler (24) überwacht. Ein Generatorfehler führt üblicherweise zu einem erhöhten Erregerbedarf. Überschreitet der Feldstrom der Erregermaschine den eingestellten Feldstrom-Maximalwert, dann greift der Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler (24) nach einer Verzögerungszeit in den PID-Spannungsregler (22) ein und führt durch Generatorspannungsabsenkung zu einer Abschaltung der Windkraftanlage.

Betrieb der Windkraftanlage:

Unter einer Windgeschw. von 4,5 Metern pro Sekunde trudelt der Rotor im Freilauf, das Regelungs- und Steuerungssystem ist inaktiv. Die Windturbinenrotoiblätter sind in Segelstellung. Bei einer Windgeschwindigkeit von etwa. 4,5 Metern pro Sekunde erfolgt die Freigabe auf das Regelungs- und Steuerungssystem. Über den PID-Drehzahlregler (12) werden die Windungsturbinenrotorblätter von der Segelstellung in eine Anfahrstellung gebracht. Durch eine Begrenzerschaltung zwischen Rotorblattwinkelregler (15) und PID-Drehzahlregler (12) erfolgt nun ein langsames Anziehen der Windturbinenrotorblätter. Die Turbinendrehzahl beginnt nun langsam zu steigen, und bei etwa 18 Umdrehungen pro Minute wird die Erregung für den Synchrongenerator eingeschaltet.

Mit steigender Turbinendrehzahl wird nun über den Leistungssollwertgeber (= Kurvenbildner) (2) der Leistungssollwert gebildet. Die Windturbinenrotorblätter werden bis zur optimalen Stellung gebracht und durch den PID-Drehzahlregler (12) auf dieser Stellung gehalten.

Wenn nun die Turbinendrehzahl mit steigender Windgeschwindigkeit den Nennsollwert des PID-Drehzahlreglers (12) erreicht, so vergrößert dieser über den Rotorblattwinkelregler (15) den Anstellwinkel der Turbinenflügel und verhindert damit ein weiters Ansteigen der Turbinendrehzahl. Der PID-Drehzahlregler (12) hält dadurch bei einem pendelnden Windüberangebot die Turbinendrehzahl auf dem Nennwert

Umgekehrt wird bei sinkender Windgeschwindigkeit und dadurch sinkender Turbinetidrehzahl durch die vorgegebene Sollwertkennlinie der optimale Rotorblattwinkel wieder eingestellt. Bei kurzen Flauten, wenn der Drehzahl-Grundsollwert unterschritten wird, stellt der PID-Drehzahlregler den Turbinenflügel auf seinen Grund-Blattanstellwinkel.

Beim Abstellen der Anlage werden die Windturbinenrotorblätter aus der jeweiligen Position - also je nach Windgeschwindigkeit - in die Segelstellung gebracht. Die Leistung wird dabei nach der Turbinendrehzahl-Leistungs-Kurve abgegeben. Bei Erreichen einer Abstell-Drehzahl wird die Abgabeleistung null. Der Rotor trudelt im Freilauf weiter. -6-

Claims (2)

1. Nr. 391 385 5 PATENTANSPRÜCHE 10 1. Regelungs- und Steuerungssystem für eine Windkraftanlage, bestehend aus einer Windturbine und einem von dieser angetriebenem Synchrongenerator, wobei die Windturbine als ein um eine Achse drehbarer Rotor mit verstellbaren Rotorblättern ausgeführt ist und aus dem jeweiligen Turbinendrehzahlistwert verschiedene elektrische Vorgabewerte gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinendrehzahlistwert jeweils 15 dem Eingang einer ersten Glättungsstufe erster Ordnung (1) und eines ersten aktiven Filters (4) und eines zweiten aktiven Filters (6) und einer zweiten Glättungsstufe erster Ordnung (11) sowie eines ersten Kurvenbildners (21) zugeführt ist, und daß der Ausgang der ersten Glättungsstufe erster Ordnung (1) mit dem Eingang eines Leistungssollwertgebers (2) verbunden ist, und daß der Ausgang des Leistungssollwertgebers (2) mit dem Eingang einer Leistungsbegrenzungsstufe (3) verbunden ist, und daß der Ausgang der 20 Leistungsbegrenzungsstufe (3) mit einem ersten Eingang eines PID-Leistungsreglers (5) und dem Eingang einer dritten Glättungsstufe erster Ordnung (13) sowie dem Ausgang des ersten aktiven Filters (4) verbunden ist, und daß der Eingang eines zweiten Kurvenbildners (14) mit dem Ausgang der dritten Glättungsstufe erster Ordnung (13) verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Leistungsreglers (5) mit einem ersten Eingang eines Stromreglers (7) und dem Ausgang des aktiven Filters (6) verbunden ist, und daß der Ausgang des Stromreglers 25 (7), indirekt über Gittersteuersatz und Thyristoren, mit einem Stromversorgungsnetz verbunden ist, und daß der Stromistwert einem zweiten Eingang des Stromreglers (7) zugeführt ist, und daß der Leistungsistwert einem zweiten Eingang des PID-Leistungsreglers (5) zugeführt ist, und daß der Ausgang der zweiten Glättungsstufe erster Ordnung (11) mit einem ersten Eingang eines PID-Drehzahlreglers (12) verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Drehzahlreglers (12) mit einem ersten Eingang eines Rotorblattwinkelreglers (15) und mit 30 dem Ausgang des zweiten Kurvenbildners (14) sowie mit einem Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16) verbunden ist, und daß der Drehzahlsollwert einem zweiten Eingang des PID-Drehzahlreglers (12) zugeführt ist, und daß der Rotorblattwinkelistwert einem zweiten Eingang des Rotorblattwinkelreglers (15) zugeführt ist, und daß der Ausgang des Rotorblattwinkelreglers (15) mit einem Rotorblattverstellungsmechanismus verbunden ist, und daß der Ausgang des ersten Kurvenbildners (21) mit einem ersten Eingang eines PID-Spannungsreglers (22) 35 verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Spannungsreglers (22) mit einem ersten Eingang eines unterlegten Feldstromreglers (23) verbunden ist, und daß der Ausgang des unterlegten Feldstromreglers (23) über einen Gittersteuersatz (26) mit der Feldwicklung einer Wechselstromerregermaschine verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang des unterlegten Feldstromreglers (23) über einen Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler (24) mit einem dritten Eingang des unterlegten Feldstromreglers (23) verbunden ist, und daß die .40 Generatoristspannung der Wechselspannungsseite eines Gleichrichters (27) zugeführt ist, und daß die Gleichspannungsseite des Gleichrichters (27) über ein drittes aktives Filter (25) mit einem zweiten Eingang des PID-Spannungsreglers (22) verbunden ist.
2. 2. Regelungs- und Steuerungssystem für eine Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 45 daß ein erster Eingang einer Überwachungseinheit (31), welche Fehler im PID-Spannungsregler (22) und im Synchrongenerator erkennt, mit dem zweiten Eingang des PID-Spannungsreglers (22) verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang der Überwachungseinheit (31) mit dem ersten Eingang des PID-Spannungsreglers (22) verbunden ist, und daß der Ausgang der Überwachungseinheit (31) über einen Komparator (32) und über ein Zeitglied (33) mit einem Auslösemechanismus zur Generatorabschaltung verbunden ist. 50 55 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen