DE10105892A1 - Windenergieanlage und Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage - Google Patents

Windenergieanlage und Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Windenergieanlage, in der sichergestellt wird, dass während eines normalen Betriebs eine Leistung bis zu einem vorgegebenen Schwellenwert abgegeben wird, während eines Netzausfalls im Fall einer kurzzeitigen Netzunterbrechung die Windenergieanlage in Betrieb bleibt, jedoch keine Energie an das Netz abgibt und im Fall einer längerfristigen Netzunterbrechung die Windenergieanlage weich abgeschaltet wird. Zu diesem Zweck ist in der Windenergieanlage lediglich ein Zweig ausgebildet, der den Asynchronmotor bzw. Generator mit dem Netz verbindet, so dass eine zuverlässige und schnelle Reaktion auf wechselnde Netzzustände möglich ist. Dieser Zweig weist einen Generatorstromrichter (GSR), einen Zwischenkreis (ZK) sowie einen Netzstromrichter (NSR) auf. Zur Umwandlung von überschüssiger Energie, die nicht in das Netz eingespeist werden kann, ist, um eine Abschaltung bei kurzzeitigen Netzunterbrechungen zu verhindern bzw. eine weiche Abschaltung bei einer längerfristigen Netzunterbrechung zu ermöglichen, ein Momentanüberspannungsbegrenzer (BC) im Zwischenkreis ausgebildet, in dem diese in Wärmeenergie umgewandelt wird. Darüber hinaus ist ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage offenbart.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erzeugung elektrischer Energie, insbe­ sondere Windenergieanlagen zur Erzeugung und Einspeisung elektrischer Energie in eine Strom­ versorgungsnetz und ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage.
Herkömmlich werden bei drehzahlvariablen Antrieben verschiedenster Art, wie beispielsweise Industrieantrieben, Traktion, usw., selbstgeführte Stromrichter zur Drehzahl- und/oder Leis­ tungsregelung eingesetzt. Im ausschliesslich generatorischen Betrieb, beispielsweise bei einer Windenergieanlage, werden derzeit überwiegend Systeme mit einer doppelt gespeisten Asyn­ chronmaschine DASM eingesetzt, wie sie in Fig. 6 gezeigt ist. Hierbei wird ein Rotor R, bei dem der Einstellwinkel der Rotorblätter über eine Anlagensteuerung AS einstellbar ist, durch Wind angetrieben. Seine Drehung wird über ein Getriebe G mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 : n (wobei n Werte zwischen 50 und 100 annimmt) zum Antrieb der doppelt gespeisten Asynchron­ maschine DASM verwendet. Die Ist-Drehzahl nGen(ist) des Generators DASM wird dabei erfasst und der Anlagensteuerung AS zugeführt. Die doppelt gespeiste Asynchronmaschine DASM ist einerseits direkt mit einem Mittelspannungstrafo MST und einer Mittelspannungsschaltanlage MSS mit einer Spannung von 6 bis 30 kV verbunden, wobei diese Verbindung schaltbar ist. Die Windenergieanlage ist im Betrieb immer mit der Mittelspannung verbunden Das Mittelspan­ nungsnetz dient der Einspeisung der produzierten Energie. Parallel zu dieser Verbindung ist ein weiterer Zweig ausgebildet, in dem ein Generatorstromrichter GSR, ein Zwischenkreis ZK sowie ein Netzstromrichter NSR ausgebildet ist. Der Generatorstromrichter GSR sowie der Netzstrom­ richter NSR werden jeweils mittels einer Leittechnikeinrichtung LGSR bzw. LNSR angesteuert, wobei als Sollwerte die Soll-Leistung und die Soll-Drehzahl verwendet werden. Die Leitttechni­ keinrichtung LGSR und LNSR sowie die Anlagensteuerung AS werden jeweils über den Mittel­ spannungstrafo MST und die Mittelspannungsschaltanlage MSS mit Energie versorgt.
Ebenfalls ist herkömmlich bei Windenergieanlagen, d. h. für den generatorischen Betrieb, das sogenannte "dänische Konzept" sehr weit verbreitet, bei dem eine schleifringlose Asynchronma­ schine ASM ohne Stromrichter mittels einer Synchronisations- bzw. Hochlaufeinrichtung HL direkt mit der Netzspannung verbunden ist, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Hierbei ist ein Rotor R über ein Getriebe G mit einem Übersetzungsverhältnis von 1 : n (wobei n Werte zwischen 50 und 100 annimmt) mit einer 4- bzw. 6-poligen Asynchronmaschine ASM verbunden ist. Die drei Aus­ gangsphasen dieser Asynchronmaschine ASM können entweder über einen ersten Zweig mit einem Mittelspannungstrafo MST und einer Mittelspannungsschaltanlage MSS mit einer Span­ nung von b bis 30 kV verbunden werden oder alternativ über einen zweiten Zweig mit der Hoch­ laufeinrichtung HL, wobei die Hochlaufeinrichtung HL eine Schalteinrichtung S1 zum Öffnen und Schliessen des ersten Zweiges steuert. Einer Anlagensteuerung AS wird eine Generator- Istdrehzahl nGen(ist) zugeführt und diese steuert ansprechend darauf die Hochlaufeinrichtung HL sowie eine weitere Schalteinrichtung S2 an, so dass auch über den zweiten Zweig eine Verbin­ dung mit dem Mittelspannungstrafo MST und der Mittelspannungsschaltanlage MSS ausgebildet werden kann.
Aus der DE 196 51 364 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Verbesserung der Netzver­ träglichkeit von Windenergieanlagen mit Asynchrongeneratoren, die an ein Stromversorgungs­ netz angeschlossen sind, bekannt. In dieser Vorrichtung ist ein rechnergesteuerter Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis und ein Zwischenspeicher ausgebildet. Der Zwischenspei­ cher dient im wesentlichen dazu, kurzfristige, vom Leistungsmittelwert abweichende positive Leistungsschwankungen aufzunehmen und zeitversetzt wieder abzugeben. Zudem ist offenbart, dass kurzfristige Leistungsspitzen höherer Ordnung bei geladenem Zwischenspeicher mittels eines passiven Bauelements abgeleitet werden, d. h. in Wärme umgesetzt werden, wobei das Bauelement als Heizelement, d. h. ohmscher Widerstand ausgebildet sein kann.
Weiterhin ist aus der EP 0 884 833 A1 ist eine Windenergieanlage mit einer Generatorregelein­ richtung mit einem Stromrichter mit aktiven Schaltern bekannt. Dabei ist die Generatoregelein­ richtung zur Regelung der Energieabgabe eines Mehrphasengenerators der Windenergieanlage betätigbar ist, um das Drehmoment des Rotors über den Einstellwinkel der Rotorblätter zu re­ geln.
Zudem offenbart die WO 00/19094 eine Windenergieanlage mit einem vom Wind antreibbaren Rotor mit verstellbaren Rotorblättern und einem mit dem Rotor direkt oder indirekt verbundenen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie. Dabei ist eine Leistungsabgabe des Generators bei variabler Rotordrehzahl möglich. Zudem weist die Windenergieanlage eine Steuerlogik auf, mittels derer die Leistungsabgabe und die Rotordrehzahl unterhalb einer vorgegebenen Grenz­ geschwindigkeit, soweit möglich, konstant auf eine Nennleistung/Nenndrehzahl und oberhalb der Grenzgeschwindigkeit bis zur Abschaltgeschwindigkeit im wesentlichen linear abnehmend geregelt ausgebildet ist.
Bei diesen herkömmlichen Windenergieanlagen mit selbstgeführten Stromrichtern besteht je­ doch dahingehend ein Problem, dass auch bei kurzen Netzunterbrechungen das gesamte Sys­ tem abgeschaltet und beim Wiedereinschalten neu synchronisiert werden muss und bei Netz­ ausfall die Lastabschaltung abrupt erfolgt.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Windenergieanlage, bei der bei kurzzeiti­ gen Netzunterbrechungen keine Abschaltung des gesamten Systems und Neusynchronisation beim Wiedereinschalten erforderlich ist und bei Netzausfall keine abrupte Lastabschaltung er­ folgt, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage auszubilden.
Diese Aufgabe wird durch eine Windenergieanlage mit dem Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 7 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ange­ geben.
Durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung kann die Windenergieanlage bei kurzzeitigen Net­ zunterbrechnungen durch den Betrieb eines Generatorstromrichters und eines Bremschoppers auf der Nenndrehzahl gehalten werden. Zudem kann innerhalb weniger ms nach Rückkehr der Netzspannung Energie ins Netz zurückgespeist werden. Bei einem Netzausfall wird das Dreh­ moment linear im Sekundenbereich auf Null reduziert, d. h. es erfolgt eine Sanftabschaltung, wobei die während dieser Zeit generatorisch anfallende Energie durch den Bremschopper in Wärmeenergie umgesetzt wird. Insbesondere ist durch den Wegfall einer direkten, schaltbaren Verbindung zwischen Asynchronmotor und Mittelspannungstrafo und Mittelspannungsschaltan­ lage eine schnellere Reaktion auf sich ändernde Netzzustände, vor allem Netzunterbrechungen und eine Wiederherstellung einer Netzverbindung möglich.
Bei der erfindungsgemässen Windenergieanlage wird im Fall von kurzen Netzunterbrechungen eine Abschaltung vollständig vermieden, während im Fall von längeren Netzunterbrechungen durch eine Sanftabschaltung des Drehmoments Laststösse vermieden und Schwingungsanre­ gungen auf dem gesamten Triebstrang verringert werden. Dadurch erhöht sich unter anderem auch die Lebensdauer des mechanischen Systems erheblich.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgen­ den Beschreibung bevorzuger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung ersichtlich.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Windenergieanlage mit Asychronmaschine,
Fig. 2 eine Drehzahl-Leistungs- und Drehzahl-Drehmoment-Steuerkennlinie in der erfindungsge­ mässen Windenergieanlage,
Fig. 3 einen Verlauf der Einspeiseleistung und der Maximalleistung in der erfindungsgemässen Windenergieanlage,
Fig. 4 das Verhalten der erfindungsgemässen Windenergieanlage bei kurzzeitiger Netzunterbre­ chung,
Fig. 5 das Verhalten der erfindungsgemässen Windenergieanlage bei längerem Netzausfall,
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Windenergieanlage mit doppelt gespeister Asyn­ chronmaschine und
Fig. 7 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Windenergieanlage nach dem "dänischen Kon­ zept".
Im folgenden wird nun eine erfindungsgemässe Windenergieanlage, insbesondere einer erfin­ dungsgemässe Windenergieanlage mit Asynchronmaschine genauer beschrieben.
Eine erfindungsgemässe Windenergieanlage, wie in Fig. 1 im Blockschaltbild gezeigt, umfasst einen vom Wind angetriebenen Rotor R (nicht gezeigt), der über eine Welle und ein Getriebe mechanisch mit einer Asynchronmaschine ASM gekoppelt ist. Die Asynchronmaschine ASM ist mit dem Generatorstromrichter GSR verbunden. Am selben Zwischenkreis ZK ist auch der Netz­ stromrichter NSR angeschlossen. Der Netzstromrichter NSR ist über einen Mittelspannungstrafo MST sowie eine Mittelspannungsschaltanlage MSS an ein öffentliches Stromversorgungsnetz (Mittelspannungsnetz) angeschlossen. Die erfindungsgemässe Windenergieanllage ist dabei als Ganzes bezüglich Schutz, Netzrückwirkungen und Netzanschluss (Kurzschlussleistung des zu speisenden Netzes) entsprechend vorgegebenen Anforderungen abgestimmt.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Windenergieanlagen weist die erfindungsgemässe Windener­ gieanlage jedoch keinen Zweig auf, über den mittels einer Schalteinrichtung eine direkte Verbin­ dung zwischen Asynchronmaschine ASM und Mittelspannungstrafo MST und Mittelspannungs­ schaltanlage MSS herstellbar ist.
Die erfindungsgemässe Windenergieanlage umfasst in ihrem einzigen Zweig, über den der Netz­ stromrichter NSR mit dem Mittelspannungstrafo MST und der Mittelspannungsanlage MSS ver­ bunden ist, einen (Hochleistungs-)Stromrichter mit einem Netzstromrichter NSR, einem Motor- bzw. Generatorstromrichter GSR, einen Bremschopper BC in einem Zwischenkreis ZK sowie zugehörige Leittechnikeinrichtungen LNSR und LGSR und eine Verindungssteuereinrichtung VSt als Schnittstelle zu einer Anlagensteuerung AS und zur Mittelspannungs(kompakt)anlage MSS und erlaubt einen drehzahlvariablen Betrieb einer schleifringlosen Asynchronmaschine ASM (Kä­ figläufer).
Als Generator ASM kann beispielsweise eine fremdbelüftete Asynchronmaschine eingesetzt werden. Hierbei ist der Rotor vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass eine gleichzeitige, for­ cierte Belüftung von Stator und Rotor möglich ist. Durch eine derartige kompakte Bauweise des Generators ASM kann das Gewicht des Triebstranges erheblich reduziert werden und daher ist im Gegensatz zu herkömmlichen Windenergieanlagen ein Einbau des Mittelspannungstrafos MST in die Gondel möglich. Durch das Konzept eines Netzstromrichters NSR und eines Generator­ stromrichters GSR ist zudem ein drehzahlvariabler Betrieb über den gesamten Drehzahlbereich des Generators ASM möglich.
Der (Hochleistungs-)Stromrichter weist Hochleistungsschalter auf und ist beispielsweise, wie in Fig. 1 gezeigt, in IGBT-Technologie mit hochsperrenden Integrated Power Modulen (IPM) bzw. integrierten Hochleistungsschaltern beispielsweise als Modular Power Converter (MPC) bzw. modularer Hochleistungsstromrichter aufgebaut. Ein integrierter Hochleistungsschalter ist bei­ spielsweise für eine maximale Sperrspannung von 4,5 kV konzipiert. Der maximale Schaltstrom beträgt dann 1,5 kA bei einer Zwischenkreisspannung von 3,4 kV. Die Ansteuerung des IGBT erfolgt über eine Gate-Elektronik bzw. ein Gate-Drive, das parallelgeschaltete integrierte Hoch­ leistungsschalter ansteuert, Kurzschlüsse erfasst, Kurzschlüsse selbstständig abschaltet (soft turn-off), Ansteuersignale und Rückmeldungen über Lichtwellenleiter ausgibt bzw. empfängt, Unterspannungen erfasst, meldet und Zustände aufrecht erhält und die Kollektor-Emitter- Spannung (Uce) und Schutzzeiten überwacht und auf einen Maximalwert begrenzt.
Die Leistungsaufnahme der Ansteuerung beträgt beispielweise ca. 6 W. Parallelgeschaltete integ­ rierte Hochleistungsschalter werden von einer Gate-Adaptereinrichtung angesteuert, die einen Gateüberspannungsschutz sowie einen Gateabschlusswiderstand beinhaltet.
Der Leistungsteil der erfindungsgemässen Windenergieanlage besteht im bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel gemäss Fig. 1 im wesentlichen aus mehreren Phasenmodulen, die mit integrierten Hochleistungsschaltern und jeweils einer dazu parallelen Freilaufdiode bestückt sind. Desweite­ ren umfassen der Generator- und der Netzstromrichter GSR, NSR Zwischenkreiskondensatoren, Strom- und Spannungsensoren, eine niederinduktive Zwischenkreisverschienung und eine Kühl­ mittelverrohrung. Darüber hinaus ist ein Abtrenn- und Vorladeschütz ausgebildet, das für ein sanftes Zuschalten des selbstgeführten Stromrichters an das speisende Netz benötigt wird.
Der Netzstromrichter NSR und der Mittelspannungstrafo MST sind die Hauptbestandteile der Netzanbindung. Der Mittelspannungstrafo MST besitzt eine relativ hohe Kurzschlussspannung, die den stromrichterseitigen Kurzschlusstrom begrenzt und die Netzoberschwingungsströme reduziert. Zudem verfügt er über eine kombinierte Hilfsbetriebe- und Filterwicklung. Diese Wick­ lung dient zur Versorgung der Windenergieanlage mit Hilfsenergie (3.400 Veff/50 Hz) und einem Anschluss von Filterkondensatoren zur Reduktion von Netzoberschwingungen.
Die Mittelspannungs(kompakt)schaltanlage MSS weist eine Fernauslösung auf und ermöglicht ein sicheres und rasches Trennen der gesamten elektrischen Ausrüstung der Windenergieanlage vom Mittelspannungsnetz. Die Mittelspannungs(kompakt)schaltanlage MSS ist in der Regel im Turmfuss untergebracht.
Die erfindungsgemässe Windenergieanlage ist in Fig. 1 als Blockschaltbild gezeigt. Diese erfin­ dungsgemässe Windenergieanlage ist mit drei Rotorblättern ausgerüstet, die über ein dreistufi­ ges Getriebe G einen Asynchronmotor bzw. Generator ASM antreiben. Der Generator ASM, ein selbstgeführter (Hochleistungs-)Stromrichter sowie ein Mittelspannungstrafo MST befinden sich im bevorzugten Ausführungsbeispiel in einer Gondel der Windenergieanlage. Eine Mittelspan­ nungs(kompakt)schaltanlage MSS ist im Turmfuss untergebracht.
Dieser beispielhafte erfindungsgemässe Aufbau ist bezüglich Einbauort (z. B. Vibration der in der Gondel eingebauten Teile) und Umgebungsbedingungen angepasst und besteht aus den folgen­ den Komponenten:
  • - Generator, beispielsweise schleifringlose Asynchronmaschine (Käfigläufer), ASM
  • - Selbstgeführter (Hochleistungs-)Stromrichter bestehend aus Generatorstromrichter GSR und Netzstromrichter NSR jeweils mit Leittechnik LGSR, LNSR und einem Zwischenkreis ZK
  • - Kühlsysteme für den selbstgeführten (Hochleistungs-)Stromrichter, den Mittelspannungs­ trafo MST und den Generator ASM, ohne Wasser-Luft-Wärmetauscher
  • - Mittelspannungstrafo MST zur Anpassung der Hochleistungsstromrichterausgangsspannung an das gewünschte Mittelspannungsniveau
  • - Hilfsspannungsversorgung 3.400 Veff/50 Hz ab dem Mittelspannungstrafo MST (eventuell ab einem Kleintrafo)
  • - Lüfter, Zyklonfilter und Luftkanäle zur Belüftung des Generators ASM und des (Hoch­ leistungs-)Stromrichters
  • - Verkabelung Generator-Stromrichter und Stromrichter-Mittelspannungstrafo
  • - Mittelspannungs(kompakt)schaltanlage MSS (im Turmfuss), komplett gekapselt
  • - Vollisoliertes Mittelspannungskabel für die Montage im Inneren des Turmes
Die erfindungsgemässe Windenergieanlage erlaubt einen drehzahlvariablen Betrieb. Durch die­ sen drehzahlvariablen Betrieb ist eine vollständige Beseitigung bzw. zumindest eine bedeutende Reduzierung mechanischer Laststösse auf den Triebstrang, die Rotorblätter, den Maschinenträ­ ger und den Turm erreichbar. Bei der erfindungsgemässen Windenergieanlage ist im Gegensatz zum Stand der Technik ein unterbrechungsfreier Betrieb der Windenergieanlage realisierbar, wenn es sich um Kurz-Netzunterbrechungen im Bereich von ungefähr 20 bis 200 ms handelt, wobei dieser Wert durch die maximal vom Bremschopper absorbierbare Energie bestimmt ist. Bei längeren Netzunterbrechungen bzw. Netzausfall erfolgt eine sanfte Abschaltung des Dreh­ moments, um Schwingungserscheinungen aufgrund einer Überlagerung möglicher Eigenfrequen­ zen des Generator-Stromrichter-Systems mit Komponenten der Windenergieanlage zu vermei­ den. Zudem wird in der erfindungsgemässen Windenergieanlage die Rotorblatt-Eigenfrequenz von ca. 3 kHz aktiv gedämpft.
Im folgenden wird nun genauer auf die Steuerung und Regelung der erfindungsgemässen Wind­ energieanlage eingegangen.
Die Steuerung und Regelung der erfindungsgemässen Windenergieanlage beruht auf einer über­ geordneten Drehzahlregelung. Mit einer Verstellung der Rotorblätter (Pitch-Control) ist die Dreh­ zahl in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit regelbar. Diese Funktion wird von der Anla­ gensteuerung AS übernommen. Eine untergeordnete Regelung eines Umrichters führt die Aus­ gangsleistung des Generatorstromrichters GSR gemäss einer in der Leittechnik abgelegten Steuerkennlinie entsprechend einer aktuellen Drehzahl nach. Eine derartige Steuerkennlinie ist in Fig. 2 für Dauer- und Kurzzeitbetrieb (< 10 s) gezeigt. Eine Erfassung der Drehzahl geschieht unabhängig jeweils für die Anlagensteuerung AS (extern) und den Generatorstromrichter GSR.
Eine einen Nennpunkt Pn übersteigende Drehzahl bzw. Leistung wird lediglich kurzzeitig (< 10 s) gefahren. Die Zeitdauer ist dabei durch die Ausregelzeit der Blattverstellung definiert.
Bei der inneren Drehmomentregelung wird eine Genauigkeit von ±5% erreicht. Für die Einspei­ sung ins Netz ist jedoch eine höhere Genauigkeit erforderlich. Dies wird erreicht, indem die Be­ rechnung der Netzstromrichterleistung zur Korrektur hinzugezogen wird. Zusätzlich wird ein Gleichstrom- bzw. DC-Offset aller Strom- und Spannungswandler im ausgeschalteten Zustand (Taktsperre für Netzstromrichter NSR und Generatorstromrichter GSR) automatisch auf Null abgeglichen.
Die Festlegung der Steuerkennlinie gemäss Fig. 2 erfolgt wie die restliche Parameterisierung der Generatorstromrichter-Software von extern über einen Personalcomputer. Die Parametrisierung der Steuerkennlinie kann prinzipiell mit n-Geradenstücken oder durch eine mathematisch ge­ schlossene Formel erfolgen.
Die Regelung des Generatorstromrichters GSR gewährleistet die aktive Bedämpfung von Sys­ temeigenfrequenzen im Bereich von 2 bis 10 Hz (z. B. Rotorblatteigenfrequenzen). Im Gegensatz zur feldorientierten Regelung ist die hier angewendete ständerflussorientierte Regelung wesent­ lich dynamischer und führt dadurch zu einer inhärenten Dämpfung des Systems im genannten Frequenzbereich. Der genannte Frequenzbereich ist hierbei eine Richtangabe. Mit dieser hoch­ dynamischen Regelkonfiguration wurden in anderen Anwendungen bereits Frequenzen bis zu 50 Hz gedämpft.
Der Netzstromrichter NSR formt die Gleich- bzw. DC-Spannung des Zwischenkreises ZK (z. B. 2800 V) in eine 3-phasige Wechselspannung um. Die Hauptregelgrösse für den Netzstromrichter NSR ist die Zwischenkreisspannung bzw. deren Konstanthaltung. Sobald eine ins Netz einge­ speiste Leistung, d. h. eine Leistung des Netzstromrichters NSR einen Wert von Pmax1 überschrei­ tet, wie in Fig. 3 gezeigt, wird der der Bremschopper bzw. Momentanüberspannungsbegrenzer BC aktiviert und eine Differenzleistung P - Pmax1 in einem Widerstand in Wärme umgesetzt. Pmax2 ist die Obergrenze der Maximalleistung, die im Momentanüberspannungsbegrenzer BC in Wärme umgesetzt werden kann. Für die gesamte Windenergieanlage ergibt sich durch das vorstehend beschriebene Verhalten ein ausgezeichnetes Kurzzeit-Flickerverhalten. Der vorgegebene Wert Pmax1, der die maximale Einspeiseleistung festlegt, kann je nach Anwendung auch hin zu grösse­ rer Leistung verschoben werden.
Jedoch besteht im Fall einer Netzunterbrechung, unabhängig von deren Dauer, auch bei der vor­ stehenden Regelung immer noch das Problem, dass dann eine Leistung ins Netz eingespeist würde, da der Wert Pmax1 unterschritten ist, und dieses Problem bisher nur durch eine Hartab­ schaltung der Windenergieanlage bei Erfassung einer Netzunterbrechnung beseitigt wurde. Die damit verbundenen, vorstehend bereits diskutierten Nachteile, nahm man in Kauf.
Um diese Nachteile herkömmlicher Windenergieanlagen zu beseitigen, wird daher in der erfin­ dungsgemässen Windenergieanlage im Fall von Netzunterbrechungen durch die Anlagensteue­ rung AS zwischen zwei verschiedenen Fällen unterschieden:
  • 1. Kurzzeitige Netzunterbrechung während einer Zeitdauer t1 ≦ tmax mit tmax = 200 ms.
  • 2. Länger andauernde Netzunterbrechung bzw. Netzausfall, t1 < tmax.
Bei kurzzeitigen Netzunterbrechnungen kann die erfindungsgemässe Windenergieanlage unter­ brechungsfrei betrieben werden. In diesem Fall wird die Windenergieanlage derart geregelt, dass generatorisch anfallende Energie durch den Bremschopper bzw. Momentanüberspannungs­ begrenzer BC in Wärme umgesetzt, indem hierfür die maximale Einspeiseleistung Pmax1 gleich Null gesetzt wird. Hierbei ist der Momentanüberspannungsbegrenzer BC derart ausgestaltet, dass er einen Betrieb mit Nennleistung, d. h. eine Aufnahme der Nennleistung Pn durch den Wi­ derstand, bis zu Netzunterbrechungen von 200 ms Dauer erlaubt.
Das Verhalten der erfindungsgemässen Windenergieanlage bie einer derartigen kurzzeitigen Netzunterbrechnung wird nun im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 4 näher erläutert. In Fig. 4 bezeichnet U die Netzspannung, PNSR die Leistung des Netzstromrichters NSR, PChopper die Leistung des Bremschoppers bzw. Momentanüberspannungsbegrenzers BC und Pd die Leistung im Zwischenkreis.
Bei einer kurzzeitigen Netzunterbrechnung mit einer Dauer t ≦ tmax ist die Anlagensteuerung AS weiterhin bestrebt, die Drehzahl des Rotors R konstant zu halten. Dadurch bleibt die Leistung Pd im Zwischenkreis ZK konstant, da die Windenergieanlage trotz Netzausfalls weiter Energie er­ zeugt. Damit die Spannung im Zwischenkreis ZK nicht unzulässig ansteigt, wird diese Energie im Widerstand des Momentanüberspannungsbegrenzers BC in Wärme umgesetzt. Selbstverständ­ lich ist eine derartige "Energieumwandlung" nicht beliebig oft innerhalb kurzer Zeit möglich. Die maximal zulässige Anzahl von kurzzeitigen Netzunterbrechnungen beträgt beispielsweise 3x pro 5 min, wobei sie jedoch von der Dimensionierung des Widerstands und seiner Erwärmung durch die "Energieumwandlung" abhängt. Ein Überschreiten dieses beispielshaften, vorgegebenen Werts kann infolge Überhitzung des Momentanüberspannungsbegrenzer-Widerstandes zu einer Abschaltung der Windenergieanlage führen. Die Anlagensteuerung AS kann in diesem Fall die Windenergieanlage nach der Abkühlung des Widerstands selbsttätig wieder in Betrieb setzen.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass während des Ausfalls der Netzspannung U über eine Zeitdauer t1, währed die Leistung Pd im Zwischenkreis ZK konstant bleibt, die Leistung PNSR des Netzstrom­ richters NSR auf Null geht, während die Leistung Pchopper des Momentanüberspannungs­ begrenzers auf den Wert von PNSR vor Beginn von t1 ansteigt. Nach Beendigung des Ausfalls steigt die Leistung PNSR allmählich wieder an, während Sich PChopper in demselben Masse verrin­ gert, bis der Zustand vor Beginn von t1 wieder hergestellt ist.
Der (Hochleistungs-)Stromrichter der erfindungsgemässen Windenergieanlage ist zudem so be­ messen, dass er trotz Ausfall der Kühlung (die Hilfssysteme wie Lüfter, Kühlmittelpumpen, usw. sind an der Hilfswicklung des Mittelspannungstrafos MST angeschlossen) für die Zeitdauer von mindestens tmax mit der Nennleistung Pn arbeiten kann (Generatorstromrichter GSR und Momen­ tanüberspannungsbegrenzer BC).
Auf diese Weise kann in der erfindungsgemässen Windenergieanlage eine Abschaltung aufgrund einer kurzfristigen Netzunterbrechung vermieden werden. Zu berücksichtigen ist nun noch der Fall, in dem eine Netzunterbrechung länger andauert, so dass eine Energieumwandlung durch den Momentanüberspannungsbegrenzer BC aufgrund der Erwärmung nicht mehr möglich ist. Auf diesen Fall wird im folgenden genauer eingegangen.
Üblicherweise führt ein Netzausfall, d. h. eine längerdauernde Netzunterbrechung, während dem generatorischen Betrieb einer Asychronmaschine, beispielsweise in einer herkömmlichen Wind­ energieanlage, zu einer abrupten Lastabschaltung. Diese Lastabschaltung kann, verursacht durch die schnelle Änderung des Drehmoments, Schwingungen im mechanischen Teil der Wind­ energieanlage hervorrufen und dadurch das mechanische System erheblich belasten. Daher erfolgt in der erfindungsgemässen Windenergieanlage im Fall einen Netzausfalls durch die Anla­ gensteuerung AS eine lineare Reduktion des Drehmoments im Sekundenbereich auf Null, d. h. eine Sanftabschaltung. Dabei wird die während dieser Zeit generatorisch anfallende Energie durch den Momentanüberspannungsbegrenzer BC in Wärme umgesetzt und Schwingungen im mechanischen Teil werden verhindert oder zumindest deutlich reduziert.
Sofern ein Netzausfall länger als beispielsweise im beschriebenen Ausführungsbeispiel 200 ms andauert, wird über ein Rückmeldesignal "Signalisation Netzausfall" die Anlagensteuerung AS dazu veranlasst, den Rotor R in einen Trudelbetrieb zu fahren. Der (Hochleistungs-)Stromrichter selbst fährt das Drehmoment mit einer Rampenfunktion gesteuert und langsam auf Null, wie in Fig. 6 für den Fall eines längerandauernden Netzausfalls gezeigt. Die Zeit t2, bis das Drehmo­ ment und damit die leistung Pd im Zwischenkreis ZK sowie die Leistung PChopper im Momentanü­ berspannungsbegrenzer BC, auf Null heruntergefahren ist, ist auf beispielsweise maximal 3 Se­ kunden einstellbar. Die erzeugte Energie wird wiederum im Widerstand des Momentanü­ berspannungsbegrenzers BC in Wärme umgesetzt. Diese erfindungsgemässe, sanfte Reduzie­ rung des Drehmomentes an der Generatorwelle hilft mit, den Rotor schneller abzubremsen und verhindert eine Anregung von Resonanzen, wie sie bei einem 100% Lastabwurf auftreten kön­ nen.
Zusammenfassend offenbart die vorliegenden Erfindung somit eine Windenergieanlage, in der sichergestellt wird, dass während eines normalen Betriebs eine Leistung bis zu einem vorgege­ benen Schwellenwert abgegeben wird, während eines Netzausfalls im Fall einer kurzzeitigen Netzunterbrechung die Windenergieanlage in Betrieb bleibt, jedoch keine Energie an das Netz abgibt und im Fall einer längerfristigen Netzunterbrechung die Windenergieanlage weich abge­ schaltet wird. Zu diesem Zweck ist in der Windenergieanlage lediglich ein Zweig ausgebildet, der den Asynchronmotor bzw. Generator mit dem Netz verbindet, so dass eine zuverlässige und schnelle Reaktion auf wechselnde Netzzustände möglich ist. Dieser Zweig weist einen Genera­ torstromrichter, einen Zwischenkreis sowie einen Netzstromrichter auf. Zur Umwandlung von überschüssiger Energie, die nicht in das Netz eingespeist werden kann, ist, um eine Abschaltung bei kurzzeitigen Netzunterbrechungen zu verhindern bzw. eine weiche Abschaltung bei einer längerfristigen Netzunterbrechung zu ermöglichen, ein Momentanüberspannungsbegrenzer im Zwischenkreis ausgebildet, in dem diese in Wärmeenergie umgewandelt wird. Darüber hinaus ist ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage offenbart.

Claims (9)

1. Windenergieanlage, mit:
einem Rotor mit verstellbaren Rotorblättern,
einer durch den Rotor über eine Welle angetriebenen Asynchronmaschine (ASM),
einem selbstgeführten Stromrichter, der einen Generatorstromrichter (GSR), einen Zwi­ schenkreis (ZK) mit einer Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) sowie ei­ nen Netzstromrichter (NSR) aufweist, der zwischen die Asynchronmaschine (ASM) und einen Mittelspannungstrafo (MST) und eine diesem nachgeschaltete Mittelspannungschaltanlage (MSS) geschaltet ist,
einer Steuer- und Regeleinrichtung (LGSR, LNSR, VSt), zur Erfassung eines Netzausfalls und zur Ermittlung, ob ein Netzausfall länger als eine vorbestimmte erste Zeitdauer (tmax) andau­ ert, und zur Ausgabe eines diese Informationen anzeigenden Signals an eine Anlagensteuer­ einrichtung (AS),
wobei die Anlagensteuereinrichtung (AS) ausgebildet ist zur Ansteuerung einer Energieer­ zeugung durch die Asynchronmaschine (ASM), zur Ansteuerung des selbstgeführten Strom­ richters und zur Ansteuerung der Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) und,
wenn das Signal von der Steuer- und Regeleinrichtung (LGSR, LNSR, VSt) einen Netzausfall anzeigt, der kürzer als die vorbestimmte erste Zeitdauer (tmax) ist, die Leistung im Zwischen­ kreis (ZK) konstant hält und die Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) der­ art ansteuert, dass die Leistung im Zwischenkreis (ZK) anstelle dem Netzstromrichter (NSR) der Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) zugeführt und dort die elektri­ sche Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, oder
wenn das Signal von der Steuer- und Regeleinrichtung (LGSR, LNSR, VSt) einen Netzausfall anzeigt, der länger als die vorbestimmte erste Zeitdauer (tmax) ist, eine Verstelleinrichtung für die Rotorblätter derart ansteuert, dass der Rotor über eine Verstellung der Rotorblätter in ei­ nem Trudelbetrieb gefahren wird, den selbstgeführten Stromrichter derart ansteuert, dass das Drehmoment des Asynchronmotors (ASM) mit einer Rampenfunktion gesteuert und langsam auf Null heruntergefahren wird.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, wobei die Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) einen Widerstand aufweist, in dem die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn die Steuer- und Regeleinrichtung (LGSR, LNSR, VSt) eine Überschreitung einer maxi­ malen Leistung (Pmax1) durch die aktuelle Ausgangsleistung (P) am Ausgang des Netzstrom­ richters (NSR) erfasst, ein entsprechendes Signal an die Anlagensteuereinrichtung (AS) aus­ gegeben wird, und die Anlagensteuereinrichtung (AS) ansprechend auf dieses Signal die Differenzleistung (P - Pmax1) der Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie zuführt.
4. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem selbstgeführten Stromrichter Hochleistungsschalter mit parallel angeordneter Frei­ laufdiode verwendet werden.
5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, wobei die Hochleistungsschalter in IGBT-Technologie aufgebaute Integrated power Module (IPM) sind.
6. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) derart dimensioniert ist, dass in­ nerhalb eines vorgegebenen Zeitraums eine vorbestimmte Anzahl von Malen eine Umwand­ lung von elektrischer Energie in Wärmeenergie möglich ist.
7. Verfahren zur Betreiben einer Windenergieanlage, mit einem Rotor mit verstellbaren Rotor­ blättern, einer durch den Rotor über eine Welle angetriebenen Asynchronmaschine (ASM), einem selbstgeführten Stromrichter, der einen Generatorstromrichter (GSR), einen Zwi­ schenkreis (ZK) mit einer Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) sowie ei­ nen Netzstromrichter (NSR) aufweist, der zwischen die Asynchronmaschine (ASM) und einen Mittelspannungstrafo (MST) und eine diesem nachgeschaltete Mittelspannungschaltanlage (MSS) geschaltet ist, und einer Steuer- und Regeleinrichtung (LGSR, LNSR, VSt), zur Erfas­ sung eines Netzausfalls und zur Ermittlung, ob ein Netzausfall länger als eine vorbestimmte erste Zeitdauer (tmax) andauert, und zur Ausgabe eines diese Informationen anzeigenden Sig­ nals an eine Anlagensteuereinrichtung (AS),
wobei die Anlagensteuereinrichtung (AS) ausgebildet ist zur Ansteuerung einer Energieerzeugung durch die Asynchronmaschine (ASM), zur Ansteuerung des selbstgeführten Strom­ richters und zur Ansteuerung der Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC), mit den Schritten
vor einem Einschalten oder nach einem Abschalten der Windenergieanlage Betreiben einer Leittechnik in einem Betriebszustand ohne Netz über eine Backup-Batterie, nach einem Zuschalten der Mittelspannung Versorgen aller notwendigen Hilfssysteme mit der Netzspannung,
Aufladen eines Zwischenkreises des selbstgeführten Stromrichters über eine Vorladeeinrich­ tung auf einen Spitzenwert der aktuellen Netzspannung und Einschalten eines Hauptschüt­ zes des Stromrichters, wobei ein Netz- und ein Generatorstromrichter nicht getaktet sind, Erfassen einer Windgeschwindigkeit durch die Anlagensteuerung (AS) und bei Überschreiten eines unteren Grenzwerts der Windgeschwindigkeit Geben eines Startbefehls an eine Ver­ bindungssteuereinrichtung und Antakten des Generator- und Netzstromrichters (GSR, NSR), so dass eine Zwischenkreisspannung (Zk) auf einen Nennwert eingestellt wird und die Wind­ energieanlage sich im Normalbetrieb befindet,
während des Normalbetriebs des Windenergieanlage Erfassen, ob ein Netzausfall vorliegt, durch die Steuer- und Regeleinrichtung (LGSR, LNSR, VSt), und,
  • - wenn der Netzausfall kürzer als die vorbestimmte erste Zeitdauer (tmax) ist, konstant Halten der Leistung im Zwischenkreis (ZK) und Ansteuern der Momentanüberspannungsbegren­ zungseinrichtung (BC) derart, dass die Leistung im Zwischenkreis (ZK) anstelle dem Netz­ stromrichter (NSR) der Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) zugeführt und dort die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird, oder
  • - wenn der Netzausfakk länger als die vorbestimmte erste Zeitdauer (tmax) ist, Ansteuern ei­ ner Verstelleinrichtung für die Rotorblätter derart, dass der Rotor über eine Verstellung der Rotorblätter in einem Trudelbetrieb gefahren wird, und Ansteuern des selbstgeführten Stromrichters derart, dass das Drehmoment des Asynchronmotors (ASM) mit einer Ram­ penfunktion gesteuert und langsam auf Null heruntergefahren wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt Erfassen einer aktuellen Ausgangsleistung (P) am Ausgang des Netzstromrichters (NSR) und bei Überschreitung einer maximalen Leistung (Pmax1) durch die aktuelle Ausgangsleistung (P) am Ausgang des Netzstromrichters (NSR) Ausgeben eines entsprechenden Signals an die Anlagensteuereinrichtung (AS), und ansprechend auf dieses Signal durch die Anlagensteuer­ einrichtung (AS) Zuführen der Differenzleistung (P - Pmax1) zur Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei im Fall, dass eine Netzunterbrechung mit einer Zeitdauer unter der vorbestimmten ersten Zeitdauer (tmax) innerhalb einer vorbestimmten zweiten Zeitdauer häufiger als eine vorgege­ bene Anzahl von Malen auftritt, eine Abschaltung wie bei einer Netzunterbrechung über der vorbestimmten ersten Zeitdauer (tmax) erfolgt, bis der Widerstand der Momentanüberspan­ nungsbegrenzungseinrichtung (BC) unter eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist.
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