AT511782A1 - ENERGY EQUIPMENT, IN PARTICULAR WIND POWER PLANT - Google Patents

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AT511782A1 ATA1165/2011A AT11652011A AT511782A1 AT 511782 A1 AT511782 A1 AT 511782A1 AT 11652011 A AT11652011 A AT 11652011A AT 511782 A1 AT511782 A1 AT 511782A1
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Abstract

Eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, weist eine mit einem Rotor (1) verbundenen Antriebswelle, einen mit einem Netz (9) verbundenen Generator (13), ein Differenzialgetriebe (10 bis 12), von dem ein Antrieb mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb (18) verbunden ist, und einen elektrischen Energiespeicher (32) auf, wobei der Generator (13) eine Erregerregelung (35) aufweist und wobei der Differenzial-Antrieb (18) mit einem Frequenzumrichter (19) verbunden ist. Sowohl die Erregerregelung (35) als auch der Frequenzumrichter (19) des Differential-Antriebs (14) sind mit dem Energiespeicher (32) verbunden.An energy generation plant, in particular wind power plant, has a drive shaft connected to a rotor (1), a generator (13) connected to a network (9), a differential gear (10 to 12) from which a drive with an electric differential drive (18 ), and an electrical energy store (32), wherein the generator (13) has an exciter control (35) and wherein the differential drive (18) is connected to a frequency converter (19). Both the exciter control (35) and the frequency converter (19) of the differential drive (14) are connected to the energy store (32).

Description

• ♦ V·*«*· # · · · »···«· « « « · • ·· · * »«·*· ·• ♦ V · * «* · # · · ·» ··· «·« «« · • ··· * * «« · * · ·

Die Erfindung betrifft eine *Bner^ie’gewi*rwiungs6?ftl.age, insbesondere Windkraftanlage, mit einer mit einem Rotor verbundenen Antriebswelle, einem mit einem Netz verbundenen Generator, einemThe invention relates to a power transmission plant, in particular a wind power plant, having a drive shaft connected to a rotor, a generator connected to a network

Differenzialgetriebe, von dem ein Antrieb mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb verbunden ist, und mit einem elektrischen Energiespeicher, wobei der Generator eine Erregerregelung aufweist und wobei der Differenzial-Antrieb mit einem Frequenzumrichter verbunden ist.Differential gear, of which a drive is connected to an electric differential drive, and with an electrical energy storage, wherein the generator has an exciter control and wherein the differential drive is connected to a frequency converter.

Windkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung als Energiegewinnungsanlagen. Dadurch erhöht sich kontinuierlich der prozentuale Anteil der Stromerzeugung durch Wind. Dies wiederum bedingt einerseits neue Standards bezüglich Stromqualität und andererseits einen Trend zu noch größeren Windkraftanlagen. Gleichzeitig ist ein Trend Richtung Off-shore-Windkraftanlagen erkennbar, welcher Anlagengrößen von zumindest 5MW installierter Leistung fordert. Durch die erwähnten höheren Anforderungen an die Stromqualität, gewinnen hier hochdynamische bzw. auch bei Netzfehlern regelbare Anlagen eine besondere Bedeutung.Wind power plants are becoming increasingly important as energy production plants. As a result, the percentage of electricity generated by wind is continuously increasing. This, in turn, requires new standards of power quality on the one hand and a trend towards even larger wind turbines on the other. At the same time, there is a trend towards offshore wind turbines, which require system sizes of at least 5 MW of installed capacity. Due to the mentioned higher demands on the power quality, here highly dynamic or even in case of network faults controllable plants gain special importance.

Allen Anlagen gemeinsam ist die Notwendigkeit einer variablen Rotordrehzahl, einerseits zur Erhöhung des aerodynamischen Wirkungsgrades im Teillastbereich und andererseits zur Regelung des Drehmomentes im Antriebsstrang der Windkraftanlage. Letzteres zum Zweck der Drehzahlregelung des Rotors in Kombination mit der Rotorblattverstellung.All systems have in common is the need for a variable rotor speed, on the one hand to increase the aerodynamic efficiency in the partial load range and on the other hand to control the torque in the drive train of the wind turbine. The latter for the purpose of speed control of the rotor in combination with the rotor blade adjustment.

Derzeit sind daher Windkraftanlagen im Einsatz, welche diese Forderung durch Einsatz von drehzahlvariablen Generator-Lösungen zunehmend in der Form von sogenannten permanentmagneterregten Niederspannungs-Synchrongeneratoren in Kombination mit IGBT-Frequenzumrichtern erfüllen. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass (a) die Windkraftanlagen nur mittels Transformatoren an das Mittelspannungsnetz anschließbar sind und (b) die für die variable Drehzahl notwendigen Frequenzumrichter sehr leistungsstark und daher eine Quelle für Wirkungsgradverluste sind. Alternativ werden daher auch sogenannte Differenzialantriebe eingesetzt, welche direkt an das Mittelspannungsnetz angeschlossene fremderregte Mittelspannungs-Synchrongeneratoren in Kombination mit einem Differenzialgetriebe und einem Hilfsantrieb, welcher vorzugsweise eine permanentmagneterregteCurrently, therefore, wind turbines are in use, which increasingly meet this requirement by using variable-speed generator solutions in the form of so-called permanent magnet-excited low-voltage synchronous generators in combination with IGBT frequency converters. However, this solution has the disadvantage that (a) the wind turbines can only be connected to the medium-voltage network by means of transformers and (b) the frequency converters required for the variable speed are very powerful and therefore a source of efficiency losses. Alternatively, therefore, so-called differential drives are used, which directly connected to the medium-voltage network externally-excited medium-voltage synchronous generators in combination with a differential gear and an auxiliary drive, which preferably has a permanent magnet

Synchronmaschine in Kombinatit>*n*^i£*einem ÖGB'i^i’requenzumrichter kleiner Leistung vorsieht, verwenden.Synchronous machine in combinatit> * n * ^ i £ * provides a low-power ÖGB'i ^ frequency inverter use.

Die WO 2010/121783 A zeigt ein Differenzialsystem mit einem elektrischen Servoantrieb mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine in Kombination mit einem IGBT-Frequenzumrichter.WO 2010/121783 A shows a differential system with an electric servo drive with a permanent magnet synchronous machine in combination with an IGBT frequency converter.

Die Erregung fremderregter Mittelspannungs-Synchrongeneratoren erfolgt beispielsweise mittels einer sogenannten statischen Erregung, welche im Wesentlichen die Rotorwicklung des Synchrongenerators via Schleifring mit geregeltem Erregerstrom versorgt. Alternativ werden sogenannte bürstenlose Erregereinrichtungen eingesetzt, welche eine meist am vom Antrieb abgewandten Ende des Synchrongenerators angeordnete Erregermaschine mit rotierendem Dioden-Gleichrichter haben. Die Erregermaschine wird ebenfalls mit geregeltem Erregerstrom versorgt, welche jedoch im Vergleich zur erstgenannten Lösung mit wesentlich geringeren Stromstärken das Auslangen findet. Die Regelung der Erregereinrichtung hat im Wesentlichen die Aufgaben (a) die Amplitude der Spannung an den Generatorklemmen konstant auf einen vorgegebenen Wert zu regeln, (b) den vorgegebenen Leistungsfaktor (cos-phi) einzustellen und (c) die Erregerwicklung vor Überlastung zu schützen.The excitation of externally excited medium-voltage synchronous generators, for example, by means of a so-called static excitation, which essentially supplies the rotor winding of the synchronous generator via slip ring with regulated excitation current. Alternatively, so-called brushless excitation devices are used, which usually have an exciter machine with a rotating diode rectifier arranged at the end of the synchronous generator facing away from the drive. The exciter machine is also supplied with regulated excitation current, which, however, in comparison to the former solution with much lower currents is the Auslangen. The control of the excitation device has essentially the tasks (a) to regulate the amplitude of the voltage at the generator terminals constant to a predetermined value, (b) to set the predetermined power factor (cos-phi) and (c) to protect the field winding from overloading.

Die neuen Standards für die Netzeinspeisung vonThe new standards for grid feeding of

Energiegewinnungsanlagen, insbesondere Windkraftanlagen, machen es erforderlich, dass bei auftretenden Netzfehlern die Regelbarkeit sowohl des Differenzial-Antriebes als auch der Erregerregelung während der gesamten Dauer des Netzfehlers aufrecht erhalten bleibt. Dazu sind Erregerregelungen gemäß Stand der Technik nur dann in der Lage, wenn sie mit einer aufwändigen USV-Anlage ausgestattet sind.Energy recovery systems, in particular wind turbines, make it necessary that in the case of network faults, the controllability of both the differential drive and the exciter control is maintained throughout the duration of the network fault. In addition, state-of-the-art excitation control systems are only capable if they are equipped with a complex UPS system.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde entsprechende Vorkehrungen zu treffen, damit bei möglichst geringem Aufwand die volle Funktion von Differenzial-Antrieb und Erregerregelung aufrecht erhalten bleibt.The invention is therefore based on the task of taking appropriate precautions so that the full function of differential drive and exciter control is maintained at the least possible expense.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Energiegewinnungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved with an energy recovery system having the features of claim 1.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der I I ·»* «II»·Preferred embodiments of the invention are the subject of I I.

« · ·J * · V f ·«· · J * · V f ·

Unteransprüche. *··*Dependent claims. * ·· *

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben.Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 zeigt das Prinzip eines Differenzialgetriebes mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb gemäß Stand der Technik, zeigt das Prinzip einer statischen Erregerregelung gemäß Stand der Technik, zeigt eine mögliche Notstromversorgung eines Differenzial-Antriebes, zeigt beispielhaft den Verlauf der Blindstromabgabe eines fremderregten Synchrongenerators während eines Netzfehlers, mit und ohne Notstromversorgung für die Erregerregelung, zeigt die erfindungsgemäße Konfiguration der Notstromversorgung für die Erregerregelung.Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 shows the principle of a differential gear with an electric differential drive according to the prior art, shows the principle of a static excitation control according to the prior art, shows a possible emergency power supply of a differential drive shows by way of example the course of the reactive current output of a third-excited synchronous generator during a network fault, with and without emergency power supply for the excitation control, shows the configuration according to the invention of the emergency power supply for the excitation control.

Die Leistung des Rotors einer Windkraftanlage errechnet sich aus der FormelThe power of the rotor of a wind turbine is calculated from the formula

Rotor-Leistung = Rotorfläche * Leistungsbeiwert * Windgeschwindigkeit3 * Luftdichte/2 wobei der Leistungsbeiwert abhängig von der Schnelllaufzahl (= Verhältnis Blattspitzen-Geschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit) des Rotors der Windkraftanlage ist. Der Rotor einer Windkraftanlage ist für einen optimalen Leistungsbeiwert basierend auf einer im Zuge der Entwicklung festzulegenden Schnelllaufzahl (meist ein Wert zw. 7 und 9) ausgelegt. Aus diesem Grund ist beim Betrieb der Windkraftanlage im Teillastbereich eine entsprechend kleine Drehzahl einzustellen, um einen optimalen aerodynamischen Wirkungsgrad zu gewährleisten.Rotor power = Rotor area * Power coefficient * Wind speed3 * Air density / 2 where the power coefficient depends on the speed of rotation (= blade tip speed to wind speed ratio) of the rotor of the wind turbine. The rotor of a wind turbine is designed for an optimal power coefficient based on a fast running speed to be determined in the course of the development (usually a value between 7 and 9). For this reason, when operating the wind turbine in the partial load range, a correspondingly low speed must be set in order to ensure optimum aerodynamic efficiency.

Fig. 1 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differenzialsystems für eine drehzahlvariable Windkraftanlage. Der Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf der Antriebswelle 2 für das Hauptgetriebe 3 sitzt, treibt das Hauptgetriebe 3 an. Zwischen Hauptgetriebe 3 und Generator 13 befindet sich eine Differenzialstufe 4, welche vom Hauptgetriebe 3 über einen Planetenträger 10 der Differenzialstufe 4 angetrieben wird. Der Generator 13 B vorzugsweise ein fremderregter Mittelspannungs-Synchrongenerator - ist mit einem Hohlrad 11 der Differenzialstufe 4 verbunden und wird von diesem abgetrieben. »Ein*'Ritzel 12 der Differenzialstufe 4 ist mit einem Differenzial-Antrieb 14 verbunden. Die Drehzahl des Differenzial-Antriebes 14 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 13 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im Triebstrang der Windkraftanlage zu regeln. Um die Eingangsdrehzahl für den Differenzial-Antrieb 14 zu erhöhen wird im gezeigten Fall ein 2-stufiges Differenzialgetriebe gewählt, welches eine Anpassungs-Getriebestufe 15 in Form einer Stirnradstufe zwischen Differenzialstufe 4 und Differenzial-Antrieb 14 vorsieht. Die Differenzialstufe 4 und die Anpassungs-Getriebestufe 15 bilden somit das 2-stufige Differenzialgetriebe. Der Differenzial-Antrieb 14 ist eine Drehstrommaschine, welche über einen Frequenzumrichter 16 und einen Transformator 17 an das Mittelspannungsnetz 9 angeschlossen wird.Fig. 1 shows a possible principle of a differential system for a variable speed wind turbine. The rotor 1 of the wind turbine, which sits on the drive shaft 2 for the main transmission 3, drives the main gear 3 at. Between main gear 3 and generator 13 is a differential stage 4, which is driven by the main gear 3 via a planet carrier 10 of the differential stage 4. The generator 13 B preferably a third-excited medium voltage synchronous generator - is connected to a ring gear 11 of the differential stage 4 and is driven by this. »A * pinion 12 of the differential stage 4 is connected to a differential drive 14. The speed of the differential drive 14 is controlled to ensure a variable speed of the rotor 1, a constant speed of the generator 13 and on the other hand to regulate the torque in the drive train of the wind turbine. In order to increase the input speed for the differential drive 14, a 2-stage differential gear is selected in the case shown, which provides an adjustment gear stage 15 in the form of a spur gear between differential stage 4 and differential drive 14. The differential stage 4 and the adjustment gear 15 thus form the 2-stage differential gear. The differential drive 14 is a three-phase machine, which is connected via a frequency converter 16 and a transformer 17 to the medium-voltage network 9.

Die Leistung des Differenzial-Antriebes 14 ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Rotordrehzahl von dessen Grunddrehzahl (meist als 'SchlupfA bezeichnet) mal Rotor-Leistung. Dementsprechend erfordert ein großer Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzial-Antriebes 14. Das heißt, je kleiner der notwendige Drehzahlbereich an der Antriebswelle ist, desto kleiner kann der erforderliche Differenzial-Antrieb und demzufolge auch der Aufwand für dessen Herstellung und Betrieb sein. Strömungsmaschinen jeglicher Art wie z.B. Windkraftanlagen, Wasserturbinen bzw. BPumpen, Anlagen zur Gewinnung von Energie aus Meeresströmungen, bzw. jede Art von Industrieanlagen, welche mit eingeschränktem Drehzahlbereich arbeiten, sind daher die idealen Einsatzgebiete für Differenzialsysteme.The power of the differential drive 14 is substantially proportional to the product of percent deviation of the rotor speed from its base speed (usually referred to as 'slip A') times rotor power. Accordingly, a large speed range basically requires a correspondingly large dimensioning of the differential drive 14. That is, the smaller the necessary speed range on the drive shaft, the smaller the required differential drive and, consequently, the effort for its production and operation. Turbomachines of any kind, such as Wind turbines, water turbines or BPumpen, plants for the production of energy from ocean currents, or any type of industrial plants, which operate at a limited speed range, are therefore the ideal application for differential systems.

Fig. 2 zeigt das Prinzip einer statischen Erregereinrichtung mit den wesentlichen Komponenten: unterbrechungsfreie Spannungsversorgung (USV), Erregertransformator zur Anpassung des Spannungsniveaus (T), gesteuerter Gleichrichter (GR), Entregungs-Einrichtung (EE), Erregerwicklung (EW) und Erregerregelung (ER). Die Komponenten USV und Entregungs-Einrichtung (EE) sind optional und nur dann erforderlich, wenn bei Netzfehlern eine gleichmäßige Regeldynamik gefordert ist.Fig. 2 shows the principle of a static exciter device with the essential components: uninterruptible power supply (UPS), exciter transformer for adjusting the voltage level (T), controlled rectifier (GR), de-excitation device (EE), exciter winding (EW) and exciter control (ER ). The components UPS and de-energizing equipment (EE) are optional and only necessary if a uniform control dynamics is required in case of network faults.

Fig. 3 zeigt einen möglichen grundsätzlichen Aufbau des elektrischen Teils eines Differenzial-Systems gemäß Fig, 1. Mit der 5 I t < ··· I » » * I f » » ···* ·Fig. 3 shows a possible basic structure of the electrical part of a differential system according to Fig, 1. With the 5 I t < ··· I »» * I f »» ··· * ·

Drehstrommaschine 18 ist eine* sogenannte* Fr«eqnenzumrichter-Endstuf e 22 verbunden. Diese besteht im Wesentlichen aus gesteuerter IGBT-Vollbrücke 19, Controller, Zwischenkreis-Kondensatoren 20,Three-phase machine 18 is a * so-called * Fr «eznenzumrichter-Endstuf e 22 connected. This consists essentially of controlled IGBT full bridge 19, controller, DC link capacitors 20,

Strommessung und Gleichstromsicherungen 21. Die Kühlung insbesondere der IGBTs ist vorzugsweise eine Wasserkühlung, kann aber auch als Luftkühlung ausführt werden.Current measurement and DC fuses 21. The cooling, in particular of the IGBTs, is preferably water cooling, but can also be carried out as air cooling.

Der Gleichspannungszwischenkreis 23 ist das Verbindungsglied für die einzelnen Frequenzumrichter-Endstufen 22. Zum Schutz des Frequenzumrichters gegen Überspannung wird hier vorzugsweise auch ein sogenannter Brems-Chopper 24 mit Widerständen angeschlossen. Dieser Brems-Chopper 24 kann bei z.B. Netzausfall auch überschüssige Energie in Wärme umwandeln.The DC intermediate circuit 23 is the connecting element for the individual frequency converter output stages 22. To protect the frequency converter against overvoltage, a so-called brake chopper 24 with resistors is preferably also connected here. This brake chopper 24 can be used at e.g. Power failure also convert excess energy into heat.

Darüber hinaus wird für Energiegewinnungsanlagen mitIn addition, it is used for power generation plants

Differenzialsystemen auch eine Notstromversorgung 25 eingesetzt. Diese Notstromversorgung 25 besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus an den Gleichspannungszwischenkreis 23 angeschlossenen Hochleistungskondensatoren. Um das Spannungsniveau bzw. die Betriebsspannung dieser Hochleistungskondensatoren optimal bzw. flexibel zu gestalten, können diese via DC/DC-Wandler an den Gleichspannungszwischenkreis 23 angeschlossen werden.Differential systems also used an emergency power supply 25. This emergency power supply 25 preferably consists essentially of high-performance capacitors connected to the DC voltage intermediate circuit 23. To make the voltage level or the operating voltage of these high-performance capacitors optimal or flexible, they can be connected via DC / DC converter to the DC voltage intermediate circuit 23.

Abhängig von der Betriebsführung der Energiegewinnungsanlage kann die Notstromversorgung 25 unter Umständen auch die Funktion des Brems-Choppers 24 ganz oder teilweise übernehmen. Zwischen Gleichspannungszwischenkreis 23 und Netz 26 werden vorzugsweise die gleichen Frequenzumrichter-Endstufen 22 eingesetzt.Depending on the operation of the power plant, the emergency power supply 25 may also take over the function of the brake chopper 24 in whole or in part. Between DC voltage intermediate circuit 23 and network 26, the same frequency converter output stages 22 are preferably used.

Im Falle eines Differenzial-Systems gern. Fig. 1 arbeitet dieses sowohl generatorisch als auch motorisch. Das heißt, im motorischen Betrieb arbeitet die maschinenseitige Frequenzumrichter-Endstufe 22 als Wechselrichter zur Drehzahl/Drehmoment-Regelung und die netzseitige Frequenzumrichter-Endstufe 22 als Gleichrichtermodul. Im generatorischen Betrieb arbeitet die maschinenseitige Frequenzumrichter-Endstufe 22 als gesteuerter Gleichrichtermodul und die netzseitige Frequenzumrichter-Endstufe 22 als sogenannter aktiver Netzeinspeisemodul (Wechselrichter),In the case of a differential system like. Fig. 1 works this both regenerative and motor. That is, in the motor mode, the machine-side frequency converter output stage 22 operates as a speed / torque control inverter and the line-side frequency converter output stage 22 as a rectifier module. In generator mode, the machine-side frequency converter output stage 22 operates as a controlled rectifier module and the network-side frequency converter output stage 22 as a so-called active grid feed module (inverter),

Damit die netzseitige Frequenzumrichter-Endstufe 22 die vomThus, the network-side frequency converter output stage 22 of the

Netzbetreiber geforderten Str,omqwa*l"ität*3)irite,t»i«n erfüllen, ist ein sogenannter LCL-Filter 27 vorzusehen. Dazu kommen noch Sicherungen 28, Leistungsschalter 29 und ein Netztransformator 30, welcher die vorzugsweise Niederspannung des Differenzial-Antriebes an die Spannung des Netzes 26 anpasst.Network operators required Str, omqwa * l "ität * 3) irite, t» i «n meet, a so-called LCL filter 27 is provided. In addition, there are fuses 28, circuit breaker 29 and a power transformer 30, which adapts the preferably low voltage of the differential drive to the voltage of the network 26.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der- Blindstromabgabe eines fremderregten Synchrongenerators während eines Netzfehlers, mit (durchgängige Linie) und ohne (strichlierte Linie) Notstromversorgung für die Erregerregelung. Dabei wird ein schneller Einbruch der Netzspannung von 100¾ auf 10% angenommen. Die Netzspannung bleibt dann für ls auf diesem Niveau und geht im Anschluss daran auf den ursprünglichen Ausgangswert zurück. Üblicherweise verlangen die Gridcodes, dass während eines Netzspannungseinbruches die Energieerzeugungsanlagen zumindest den Nennstrom als Blindstrom ins Netz einspeisen. Fig. 4 zeigt, dass man ohne Notstromversorgung für die Erregung die Gridcodes nicht erfüllen kann, da es nach ca. 200ms nicht mehr möglich ist Blindstrom in das Netz abzugeben (strichlierte Linie). Genau das ist aber wichtig um das Netz zu stützen.Fig. 4 shows the course of - Blindstromabgabe a third-excited synchronous generator during a power failure, with (continuous line) and without (dashed line) emergency power supply for the excitation control. In this case, a rapid break in the mains voltage from 100¾ to 10% is assumed. The mains voltage then remains at this level for ls and then goes back to the original output value. Usually, the grid codes require that during a mains voltage dip, the power generation systems feed at least the rated current as reactive current into the grid. Fig. 4 shows that you can not meet the grid codes without emergency power supply for the excitement, because it is no longer possible after about 200ms to give reactive power in the network (dashed line). That is exactly what is important to support the network.

Ein weiterer Vorteil ist, dass der Generator leichter auf Nenndrehzahl gehalten werden kann wenn die Erregung eingeschaltet bleibt.Another advantage is that the generator can be more easily maintained at rated speed when the excitation remains on.

Darüber hinaus kann während dieses Spannungseinbruches der vom Generator 13 abgegebene Blindstrom nicht geregelt werden, bzw. stellt sich abhängig von Netzspannungseinbruch-Dauer und BGröße entsprechend den Auslegungsparametern des Synchrongenerators ein. Dadurch kann man nicht allfällige hiervon abweichende Anforderungen erfüllen.In addition, during this voltage dip, the reactive current output by the generator 13 can not be regulated, or adjusts depending on the mains voltage break-in duration and size in accordance with the design parameters of the synchronous generator. As a result, you can not meet any deviating requirements.

Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Ausführung der unterbrechungsfreien Notstromversorgung 25 für den Frequenzumrichter 19 des Differenzial-Antriebes 18, der vorzugsweise ein Niederspannungs-Frequenzumrichter ist, und der Erregereinrichtung 35 des Generators 13. Wie schon zu Fig. 3 beschrieben sind auch hier sogenannte IGBT-Vollbrücken 19 mit der Drehstrommaschine 18 bzw. via Transformator 30 mit dem Mittelspannungsnetz 26 verbunden. Der Gleichspannungszwischenkreis 23 ist das Verbindungsglied für die einzelnen IGBT-Vollbrücken 19. Die in den Gleichspannungszwischenkreis geschalteten Kondensatoren 31 sind vorzugsweise Folienkondensatoren und dienen vor allem zum Glätten der Zwischenkreisspannung bzw. des Rippelstromes. Zum Schutz des5 shows the inventive design of the uninterruptible emergency power supply 25 for the frequency converter 19 of the differential drive 18, which is preferably a low-voltage frequency converter, and the exciter device 35 of the generator 13. As already described with reference to FIG. 3, so-called IGBTs are also shown here. Full bridges 19 connected to the three-phase machine 18 or via transformer 30 to the medium-voltage network 26. The DC voltage intermediate circuit 23 is the connecting element for the individual IGBT full bridges 19. The capacitors 31 connected in the DC voltage intermediate circuit are preferably foil capacitors and serve, above all, for smoothing the intermediate circuit voltage or the ripple current. To protect the

Frequenzumrichters gegen Überspannung wird hier vorzugsweise ein, über eine IGBT-Halbbrücke angesteuerter, sogenannter Brems-Chopper 24 mit Widerständen angeschlossen. Dieser Brems-Chopper 24 hat die Aufgabe allfällige im Gleichspannungszwischenkreis 23 auftretende Spannungsspitzen 'abzusaugenA und dadurch eine Systemabschaltung wegen Überspannung zu vermeiden. Um bei z.B. Netzfehlern die Energieversorgung des Frequenzumrichters 19 sicher zu stellen, wird eine Notstromversorgung 25 angeschlossen, welcher vorzugsweise aus an den Gleichspannungszwischenkreis 23 angeschlossenenFrequency converter against overvoltage is here preferably connected to a so-called brake chopper 24 with resistors controlled via an IGBT half-bridge. This brake chopper 24 has the task of sucking any occurring in the DC voltage intermediate circuit 23 voltage peaks' and thereby avoid system shutdown due to overvoltage. To be at e.g. Mains faults to ensure the power supply of the frequency converter 19, an emergency power supply 25 is connected, which is preferably connected to the DC voltage intermediate circuit 23

Hochleistungskondensatoren 32 besteht. Die Notstromversorgung 25 kann aber anstelle der Hochleistungskondensatoren auch Akkumulatoren oder andere elektrische Speichermedien aufweisen.High performance capacitors 32 exists. The emergency power supply 25 may, however, instead of the high-performance capacitors also have accumulators or other electrical storage media.

Die Nennspannung des Gleichspannungszwischenkreis 23 beträgt im Falle des Einsatzes von 1700V-IGBT-Modulen meist um die 1050Vdc und sollte idealerweise in einem Bereich von maximal 1150Vdc und minimal lQOOVdc geregelt werden, um das Regelvermögen des Differenzial-Antriebes nicht einzuschränken. Würde man die Notstromversorgung 25 für diesen Spannungsbereich auslegen, würde dieser aufgrund der (a) notwendigen hohen Anzahl paralleler Kondensatoren und (b) der geringen realisierbaren Spanne zwischen maximaler und minimal erlaubter Spannung des Gleichspannungszwischenkreis 23 sehr groß und demzufolge auch entsprechend teuer werden. Um das Spannungsniveau bzw. die Betriebsspannung dieser Hochleistungskondensatoren optimal zu gestalten, werden diese daher vorzugsweise via eines DC/DC-Wandlers bestehend beispielsweise aus einer IGBT-Halbbrücke 33 und einer Induktivität 34 an den Gleichspannungszwischenkreis 23 angeschlossen. Die maximale Spannung für die Hochleistungskondensatoren 32 kann dann auf z.B. 300-400Vdc begrenzt werden. Vorzugsweise ist der oben beschriebene DC/DC-Wandler 33 ein bidirektionaler Tiefsetzsteller. Optional kann der DC/DC-Wandler auch mit IGBT-Vollbrücke ausgeführt werden.The rated voltage of the DC intermediate circuit 23 is in the case of the use of 1700V IGBT modules usually around 1050Vdc and should ideally be controlled in a range of a maximum of 1150Vdc and minimum lQOOVdc, so as not to restrict the control capacity of the differential drive. If the emergency power supply 25 were to be designed for this voltage range, it would become very large and consequently correspondingly expensive due to the (a) necessary high number of parallel capacitors and (b) the small realizable range between the maximum and minimum permitted voltage of the DC intermediate circuit. In order to optimally design the voltage level or the operating voltage of these high-power capacitors, they are therefore preferably connected to the DC voltage intermediate circuit 23 via a DC / DC converter consisting, for example, of an IGBT half-bridge 33 and an inductor 34. The maximum voltage for the high power capacitors 32 may then be set to e.g. 300-400Vdc be limited. Preferably, the DC / DC converter 33 described above is a bidirectional buck converter. Optionally, the DC / DC converter can also be designed with IGBT full bridge.

Die Erregereinrichtung 35 des Synchrongenerators 13 arbeitet im Gegensatz zum Frequenzumrichter 19 auf einem wesentlich geringeren Spannungsniveau bzw. Betriebsspannung, nämlich typischerweise in einem Bereich von ca. 80Vdc bis 130Vdc. Würde man hier versuchen die Versorgung der Erregereinrichtung direkt vom Gleichspannungszwischenkreis 23 zu realisieren, um die Notstromversorgung 25 zu nutzen, wäre dies aufgrund der hohenThe excitation device 35 of the synchronous generator 13 operates in contrast to the frequency converter 19 at a much lower voltage level or operating voltage, namely typically in a range of about 80Vdc to 130Vdc. If you were to try here to realize the supply of the excitation device directly from the DC voltage intermediate circuit 23 to use the emergency power supply 25, this would be due to the high

Spannungsdif f erenz mit einern»*DC/BC-Wan«14*er •nat’· {äußerst) aufwändig zu realisieren. Mit einem weiteren DC/DC-Wandler, bestehend beispielsweise aus einer IGBT-Halbbrücke 36 und einer Induktivität, welcher am Spannungsniveau der Hochleistungskondensatoren 32 liegt, kann eine Stromversorgung für die Erregerwicklung mit einer Spannung im Bereich von 80-13OVdc mit einfachen Mitteln realisiert werden. Vorzugsweise ist hierbei ein unidirektionaler Gleichstromsteller (unidirektionaler Tiefsetzsteller} in Form einer IGBT-Vollbrücke ausgeführt, kann aber auch aus einer IGBT-Halbbrücke oder einem bzw. drei Choppermodulen (Halbbrücke bestehend aus einer Diode und einem IGBT) bestehen. Die IGBT-Vollbrücke hat den Vorteil, dass Standard-Stromrichter-Hardware eingesetzt werden kann und der Äusgangsstromrippel kleiner ist als mit einer Halbbrücke und somit die Filterung am Ausgang erleichtert wird. Je nach Ausführung der Energiespeicher kann ein zusätzlicher Kondensator amVoltage difference with a »* DC / BC-Wan« 14 * It is extremely difficult to realize. With a further DC / DC converter, consisting for example of an IGBT half-bridge 36 and an inductance, which is at the voltage level of the high-power capacitors 32, a power supply for the excitation winding with a voltage in the range of 80-13OVdc can be realized with simple means. In this case, a unidirectional DC converter (unidirectional buck converter) is preferably designed in the form of an IGBT full bridge, but may also consist of an IGBT half bridge or one or three chopper modules (half bridge consisting of a diode and an IGBT) Advantage that standard power converter hardware can be used and the output current ripple is smaller than with a half-bridge and thus the filtering is facilitated at the output Depending on the design of energy storage, an additional capacitor at the

Gleichstromsteller-Eingang erforderlich sein, da der hohe Stromrippel die Lebensdauer des Energiespeichers verringert. Der Filter des Tiefsetzstellers 35 kann hinsichtlich (a) Regeldynamik, (b)DC-DC input may be required because the high current ripple reduces the life of the energy storage. The filter of the buck converter 35 can be used with regard to (a) control dynamics, (b)

Stromrippel (verbesserte Netzqualität des Generators), (c)Current ripple (improved power quality of the generator), (c)

Gleichtaktspannung (Vermeidung Lagerströme) optimiert werden.Common mode voltage (avoidance of bearing currents) can be optimized.

Ist für die Applikation ein schnelles Entregen relevant, so kann ein bidirektionaler Gleichstromsteller eingesetzt werden. Dadurch kann mit der negativen Zwischenkreisspannung entregt werden. Vorzugsweise kann der bidirektionale Gleichstromsteller durch eine IGBT-Vollbrücke (Standard-Umrichter) umgesetzt werden, wobei die Erregerwicklung auf zwei Halbbrückenausgänge geschalten wird und ein Halbbrückenausgang frei bleibt, kann aber auch durch zwei IGBT-Halbbrücken realisiert werden.If a fast de-energizing is relevant for the application, a bidirectional DC-DC converter can be used. This can be de-energized with the negative DC link voltage. Preferably, the bidirectional DC-DC converter can be implemented by an IGBT full bridge (standard converter), wherein the field winding is switched to two half-bridge outputs and a half-bridge output remains free, but can also be realized by two IGBT half-bridges.

Im Sinne der Erfindung heißt das, dass im Idealfall das Spannungsniveau bzw. die Betriebsspannung der Notstromversorgung 25 zwischen den notwendigen Betriebs-Spannungsniveaus von Gleichstromzwischenkreis 23 und Erregerregelung 35 liegt. Damit ist eine optimale Dimensionierung des Energiespeichers 32 bei gleichzeitiger Nutzung durch sowohl Frequenzumrichter 16 als auch Erregerregelung 35 gewährleistet.For the purposes of the invention, this means that in the ideal case the voltage level or the operating voltage of the emergency power supply 25 is between the necessary operating voltage levels of the DC intermediate circuit 23 and the exciter control 35. In order for an optimal dimensioning of the energy storage 32 is ensured with simultaneous use by both frequency 16 and excitation control 35.

Der Energiefluss für die Versorgung der Erregerregelung 35 erfolgt im Normalbetrieb via netzseitiger IGBT-Vollbrücke 19, DC/DC-Wandler 33,The energy flow for the supply of the excitation control 35 takes place in normal operation via the network-side IGBT full bridge 19, DC / DC converter 33,

Hochleistungskondensatoren >2* und 'öe/DO-Wandd'isr 36.High Performance Capacitors> 2 * and 'Oe / DO Wandd'isr 36.

Die wesentlichen Vorteile der beschriebenen Konfiguration sind (a) die Zwischenkreisspannung des Gleichstromzwischenkreises 23 kann auch bei Netzfehlern geregelt, (b) der Energieinhalt des Energiespeichers 32 kann besser genutzt, (c) die Erregung des Synchrongenerators 13 kann auch bei Netzausfall geregelt und (d) die Erregerregelung 35 kann einfach und kostengünstig realisiert werden.The main advantages of the configuration described are (a) the DC link voltage of the DC intermediate circuit 23 can also be regulated in case of network errors, (b) the energy content of the energy storage 32 can be better utilized, (c) the excitation of the synchronous generator 13 can also be regulated in the event of a power failure and (d) the excitation control 35 can be realized easily and inexpensively.

Die beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele und kommen bevorzugt bei Windkraftanlagen zum Einsatz, sind bei technisch ähnlichen Anwendungen aber ebenfalls umsetzbar. Dies betrifft v.a. Wasserturbinen bzw. BPumpen und Anlagen zur Gewinnung von Energie aus Meeresströmungen. Für diese Anwendungen gelten die gleichen Grundvoraussetzungen wie für Windkraftanlagen, nämlich variable Strömungsgeschwindigkeit. Die Antriebswelle wird jeweils von den vom Strömungsmedium, beispielsweise Wasser, angetriebenen Einrichtungen direkt oder indirekt angetrieben.The described embodiments are only examples and are preferably used in wind turbines, but are also feasible in technically similar applications. This concerns v.a. Hydro turbines or pumps and systems for the extraction of energy from ocean currents. For these applications, the same basic conditions apply as for wind turbines, namely variable flow rate. The drive shaft is in each case driven directly or indirectly by the devices driven by the flow medium, for example water.

Darüber hinaus gilt Gesagtes auch für jede Art von Anlagen, welche aufgrund der Rahmenbedingungen Differenzialantriebe zur Realisierung variabler Drehzahl an der Antriebswelle einsetzen, das heißt jede Art von Antrieben für (Industrie)anlagen welche mit eingeschränktem Drehzahlbereich betrieben werden.In addition, what is said also applies to any type of system which, due to the general conditions, uses differential drives to realize variable speed on the drive shaft, that is to say any type of drives for (industrial) systems which are operated with limited speed range.

Claims (1)

* · · »· * · · # · Rmtentafwspiyüche»: ···* Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer mit einem Rotor (1) verbundenen Antriebswelle, einem mit einem Netz (9) verbundenen Generator (13), einem Differenzialgetriebe (10 bis 12), von dem ein Antrieb mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb (18) verbunden ist, und mit einem elektrischen Energiespeicher (32), wobei der Generator (13) eine Erregerregelung (35) aufweist und wobei der Differenzial-Antrieb (18) mit einem Frequenzumrichter (19) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Erregerregelung (35) als auch der Frequenzumrichter (19) des Differential-Antriebs (14) mit dem Energiespeicher (32) verbunden sind. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Notstromversorgung (25), die den Energiespeicher (32) enthält. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerregelung (35) den Energiespeicher (32) enthält. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (18) über den Frequenzumrichter (19) mit einem Gleichstromzwischenkreis (23) verbunden ist. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromzwischenkreis (23) mittels eines DC/DC-Wandlers (33) an den Energiespeicher (32) angeschlossen ist. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerregelung (35) mittels eines DC/DC-Wandlers (36) an den Energiespeicher (32) angeschlossen ist. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (33, 36) ein vorzugsweise bidirektionaler Gleichstromsteller ist. Energiegewinnungsanlage»*naeh* β·ί·ήβ»ι**άβΗ Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler {33, 36) IGBT-Vollbrücken und/oder Thyristoren aufweist. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Erregerregelung (35) zum Regeln der Spannung und/oder des Blindstroms des Generators (13). Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung des Energiespeichers (32) zwischen den Betriebsspannungen des Gleichstromzwischenkreises (23) und der Erregerregelung (35)Energy generation plant, in particular a wind power plant, having a drive shaft connected to a rotor (1), a generator (13) connected to a network (9), a differential gear (10 to 12), of which a drive is connected to an electric differential drive (18), and to an electrical energy store (32), wherein the generator (13) has an exciter control (35) and wherein the differential drive (18) is connected to a frequency converter (19), characterized in that both the excitation control (35) and the frequency converter (19) of the differential drive (14) to the energy storage (32) are connected. Energy production plant according to claim 1, characterized by an emergency power supply (25) containing the energy store (32). Energy production plant according to claim 1, characterized in that the exciter control (35) contains the energy store (32). Power generation plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that the differential drive (18) via the frequency converter (19) with a DC intermediate circuit (23) is connected. Power generation plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the DC intermediate circuit (23) by means of a DC / DC converter (33) to the energy storage device (32) is connected. Energy recovery system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the excitation control (35) by means of a DC / DC converter (36) to the energy storage device (32) is connected. Power generation plant according to one of claims 1 to 6, characterized in that the DC / DC converter (33, 36) is a preferably bidirectional DC chopper. Energy recovery plant »* naeh * β · ί · ήβ» ι ** άβΗ claims 1 to 7, characterized in that the DC / DC converter {33, 36) IGBT full bridges and / or thyristors. Energy production plant according to one of claims 1 to 9, characterized by an exciter control (35) for controlling the voltage and / or the reactive current of the generator (13). Energy production plant according to one of claims 1 to 10, characterized in that the operating voltage of the energy store (32) between the operating voltages of the DC intermediate circuit (23) and the exciter control (35)
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