DE10105892A1 - Wind power plant and method for operating it has overvoltage limiter during momentary interruption in power supply - Google Patents

Wind power plant and method for operating it has overvoltage limiter during momentary interruption in power supply

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Abstract

An asynchronous generator (ASM) supplies the distribution network through a generator converter (GSR), a dc link circuit (ZK), a network converter (NSR) and transformer (MST). In the event of a generator overvoltage an overvoltage limiter (BC) connected to the link circuit converts the excess energy into heat.

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.The present invention relates to the field of electrical energy generation, in particular special wind turbines for generating and feeding electrical energy into electricity Supply network and a method for operating a wind turbine.

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.Conventionally, variable-speed drives of all kinds, such as industrial drives, traction, etc., use self-commutated converters for speed and / or power control. In the exclusively generator mode, for example in a wind energy installation, systems with a double-fed asynchronous machine DASM are currently predominantly used, as is shown in FIG. 6. Here, a rotor R, in which the setting angle of the rotor blades can be set via a system controller AS, is driven by wind. Its rotation is used via a gearbox G with a transmission ratio of 1: n (where n assumes values between 50 and 100) to drive the double-fed asynchronous machine DASM. The actual speed n Gen (actual) of the generator DASM is recorded and fed to the system controller AS. The double-fed DASM asynchronous machine is connected on the one hand directly to a medium-voltage transformer MST and a medium-voltage switchgear MSS with a voltage of 6 to 30 kV, this connection being switchable. During operation, the wind turbine is always connected to the medium voltage. The medium voltage network is used to feed in the energy produced. Another branch is formed parallel to this connection, in which a generator converter GSR, an intermediate circuit ZK and a line converter NSR are formed. The generator converter GSR and the line converter NSR are each controlled by means of a control system device LGSR or LNSR, the setpoint power and the setpoint speed being used as setpoints. The control technology device LGSR and LNSR as well as the system control AS are each supplied with energy via the medium voltage transformer MST and the medium voltage switchgear MSS.

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.Also common in wind turbines, ie for generator operation, the so-called "Danish concept" is very widespread, in which a slip ring-free asynchronous machine ASM without a converter is directly connected to the mains voltage by means of a synchronization or run-up device HL, as shown in FIG. 7 is shown. Here, a rotor R is connected to a 4- or 6-pole asynchronous machine ASM via a gearbox G with a transmission ratio of 1: n (n taking values between 50 and 100). The three output phases of this asynchronous machine ASM can either be connected via a first branch with a medium voltage transformer MST and a medium voltage switchgear MSS with a voltage of b to 30 kV or alternatively via a second branch with the ramp device HL, the ramp device HL being a switching device S1 controls for opening and closing the first branch. A system controller AS is supplied with an actual generator speed n Gen (ist) and this controls the ramp-up device HL and a further switching device S2 in response thereto, so that a connection with the medium-voltage transformer MST and the medium-voltage switchgear MSS can also be formed via the second branch ,

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.DE 196 51 364 A1, for example, describes a device for improving the network ver Inertia of wind turbines with asynchronous generators connected to a power supply are connected, known. In this device there is a computer controlled converter formed with a DC intermediate circuit and a buffer. The spit cher essentially serves to create short-term positive ones that deviate from the mean performance Record fluctuations in performance and deliver them again after a delay. It is also revealed that short-term power peaks of higher order with the buffer loaded by means of a passive component can be derived, d. H. be converted into heat, the Component as a heating element, d. H. ohmic resistance can be formed.

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.Furthermore, EP 0 884 833 A1 describes a wind energy installation with a generator control direction with a converter with active switches known. The generator rule is off Direction for regulating the energy output of a multi-phase generator of the wind turbine can be actuated to re the torque of the rotor over the setting angle of the rotor blades rules.

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. In addition, WO 00/19094 discloses a wind power plant with a wind-driven one Rotor with adjustable rotor blades and one directly or indirectly connected to the rotor Generator for generating electrical energy. There is a power output from the generator possible with variable rotor speed. In addition, the wind turbine has control logic by means of which the power output and the rotor speed below a predetermined limit speed, as far as possible, constant to a nominal power / nominal speed and above the limit speed down to the switch-off speed essentially linearly decreasing is regulated.  

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.These conventional wind turbines with self-commutated converters each exist however, there is a problem in that the entire sys system must be switched off and re-synchronized when it is switched on again and with the mains failure the load cutoff occurs abruptly.

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.It is therefore an object of the present invention to provide a wind turbine in which at short time no interruption of the entire system and resynchronization due to network interruptions required when switching on again and no abrupt load cut-off in the event of a power failure follows, as well as to develop a method for operating a wind energy installation.

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.This object is achieved by a wind power plant with the features of patent claim 1 and a method for operating a wind turbine with the features of the patent Proposition 7 solved. Advantageous developments of the invention are set forth in the subclaims give.

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.As a result of the configuration according to the invention, the wind energy installation can be used for short-term networks interruptions due to the operation of a generator converter and a brake chopper be kept at the nominal speed. In addition, the Mains voltage energy can be fed back into the mains. In the event of a power failure, the rotation moment linearly reduced to zero in the range of seconds, d. H. there is a soft shutdown, the energy generated during this time by the brake chopper in Thermal energy is implemented. In particular, by eliminating a direct, switchable Connection between asynchronous motor and medium voltage transformer and medium voltage switch there was a faster response to changing network conditions, especially network interruptions and a network connection can be restored.

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.In the case of the wind power installation according to the invention, in the event of brief network interruptions a shutdown completely avoided while in the event of prolonged network interruptions load shocks are avoided by gently switching off the torque and vibrations conditions on the entire drive train can be reduced. This increases among other things the lifespan of the mechanical system is also considerable.

Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgen­ den Beschreibung bevorzuger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung ersichtlich.These and other objects, advantages and features of the invention will follow from the the description of preferred embodiments can be seen in connection with the drawing.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemässen Windenergieanlage mit Asychronmaschine, Fig. 1 is a block diagram of an inventive wind turbine with asynchronous machine,

Fig. 2 eine Drehzahl-Leistungs- und Drehzahl-Drehmoment-Steuerkennlinie in der erfindungsge­ mässen Windenergieanlage, Fig. 2 is a speed-power and speed-torque control characteristic curve in the erfindungsge MAESSEN wind power plant,

Fig. 3 einen Verlauf der Einspeiseleistung und der Maximalleistung in der erfindungsgemässen Windenergieanlage, Fig. 3 shows a course of the supply power and the maximum power in the inventive wind power plant,

Fig. 4 das Verhalten der erfindungsgemässen Windenergieanlage bei kurzzeitiger Netzunterbre­ chung, Fig. 4 shows the behavior of the inventive wind power plant during brief Netzunterbre Chung,

Fig. 5 das Verhalten der erfindungsgemässen Windenergieanlage bei längerem Netzausfall, Fig. 5 shows the behavior of the inventive wind power plant with prolonged power failure,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Windenergieanlage mit doppelt gespeister Asyn­ chronmaschine und Fig. 6 is a block diagram of a conventional wind turbine with double-fed Asyn chron machine and

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Windenergieanlage nach dem "dänischen Kon­ zept". Fig. 7 is a block diagram of a conventional wind turbine according to the "Danish concept".

Im folgenden wird nun eine erfindungsgemässe Windenergieanlage, insbesondere einer erfin­ dungsgemässe Windenergieanlage mit Asynchronmaschine genauer beschrieben.In the following, a wind energy installation according to the invention, in particular one, is invented wind turbine according to the invention with asynchronous machine described in more detail.

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. A wind power installation according to the invention, as shown in the block diagram in FIG. 1, comprises a rotor R (not shown) driven by the wind, which is mechanically coupled to an asynchronous machine ASM via a shaft and a transmission. The asynchronous machine ASM is connected to the generator converter GSR. The power converter NSR is also connected to the same DC link ZK. The line converter NSR is connected to a public power supply network (medium voltage network) via a medium voltage transformer MST and a medium voltage switchgear MSS. The wind power installation according to the invention is coordinated as a whole with regard to protection, grid effects and grid connection (short-circuit power of the grid to be fed) in accordance with specified requirements.

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.In contrast to conventional wind turbines, the winch according to the invention has However, the system does not have a branch via which a direct connection is made by means of a switching device between the asynchronous machine ASM and the medium voltage transformer MST and medium voltage switchgear MSS can be manufactured.

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).In its single branch, the wind power installation according to the invention comprises the network converter NSR with the medium voltage transformer MST and the medium voltage system MSS ver is bound, a (high-performance) converter with a line converter NSR, a motor or generator converter GSR, a brake chopper BC in an intermediate circuit ZK and associated control systems LNSR and LGSR and a connection control device VSt as an interface to an AS control system and to the medium-voltage (compact) MSS system and allows a variable-speed operation of a slip ringless asynchronous machine ASM (Ka 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.For example, a ventilated asynchronous machine can be used as the generator ASM become. Here, the rotor is advantageously designed such that a simultaneous, for cated ventilation of the stator and rotor is possible. By such a compact design of the Generator ASM, the weight of the drive train can be significantly reduced and therefore in contrast to conventional wind turbines, installation of the MST medium voltage transformer possible in the gondola. With the concept of a mains converter NSR and a generator converter GSR is also a variable-speed operation over the entire speed range of the generator ASM possible.

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.The (high-performance) converter has high-performance switches and, for example, as shown in FIG. 1, is constructed in IGBT technology with high-blocking integrated power modules (IPM) or integrated high-performance switches, for example as a modular power converter (MPC) or modular high-performance converter. An integrated high-performance switch is designed, for example, for a maximum reverse voltage of 4.5 kV. The maximum switching current is 1.5 kA with an intermediate circuit voltage of 3.4 kV. The IGBT is controlled via gate electronics or a gate drive, which controls integrated high-performance switches connected in parallel, detects short circuits, automatically shorts off short circuits (soft turn-off), outputs and receives control signals and feedback via optical fibers, detects undervoltage, reports and maintains states and monitors the collector-emitter voltage (Uce) and protection times and limits them to a maximum value.

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.The power consumption of the control is, for example, approx. 6 W. Integrated parallel High-performance switches are controlled by a gate adapter device, which one Gate surge protection and a gate termination resistor included.

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.In the preferred exemplary embodiment according to FIG. 1, the power section of the wind power installation according to the invention essentially consists of several phase modules which are equipped with integrated high-power switches and in each case a freewheeling diode which is parallel thereto. Furthermore, the generator and the mains converter GSR, NSR DC link capacitors, current and voltage sensors, a low-inductance DC link busbar and coolant piping. In addition, a disconnect and pre-charge contactor is designed, which is required for a smooth connection of the self-commutated converter to the supply network.

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.The main power converter NSR and the medium voltage transformer MST are the main components of the Grid connection. The medium voltage transformer MST has a relatively high short circuit voltage, which limits the short-circuit current on the converter side and the harmonic currents reduced. It also has a combined auxiliary operation and filter winding. This wick is used to supply the wind turbine with auxiliary energy (3,400 Veff / 50 Hz) and a connection of filter capacitors to reduce harmonics.

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.The medium-voltage (compact) switchgear MSS has remote triggering and enables a safe and quick disconnection of the entire electrical equipment of the wind turbine from the medium voltage network. The medium voltage (compact) switchgear MSS is usually in the Tower base housed.

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. The wind power plant according to the invention is shown in FIG. 1 as a block diagram. This wind energy installation according to the invention is equipped with three rotor blades which drive an asynchronous motor or generator ASM via a three-stage gearbox G. The generator ASM, a self-guided (high-performance) converter and a medium-voltage transformer MST are located in a preferred embodiment in a nacelle of the wind power plant. A medium-voltage (compact) switchgear MSS is housed in the tower base.

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:
This exemplary construction according to the invention is adapted with regard to the installation location (e.g. vibration of the parts installed in the nacelle) and ambient conditions and consists of the following components:

  • - Generator, beispielsweise schleifringlose Asynchronmaschine (Käfigläufer), ASM- Generator, for example slip ring-free asynchronous machine (squirrel-cage rotor), ASM
  • - Selbstgeführter (Hochleistungs-)Stromrichter bestehend aus Generatorstromrichter GSR und Netzstromrichter NSR jeweils mit Leittechnik LGSR, LNSR und einem Zwischenkreis ZK- Self-guided (high-performance) converter consisting of generator converter GSR and Mains converter NSR each with control technology LGSR, LNSR and an intermediate circuit ZK
  • - Kühlsysteme für den selbstgeführten (Hochleistungs-)Stromrichter, den Mittelspannungs­ trafo MST und den Generator ASM, ohne Wasser-Luft-Wärmetauscher- Cooling systems for the self-controlled (high-performance) converter, the medium voltage trafo MST and the generator ASM, without water-air heat exchanger
  • - Mittelspannungstrafo MST zur Anpassung der Hochleistungsstromrichterausgangsspannung an das gewünschte Mittelspannungsniveau- Medium voltage transformer MST for adapting the high power converter output voltage to the desired medium voltage level
  • - Hilfsspannungsversorgung 3.400 Veff/50 Hz ab dem Mittelspannungstrafo MST (eventuell ab einem Kleintrafo)- Auxiliary power supply 3 .400 Veff / 50 Hz from the medium voltage transformer MST (possibly from a small transformer)
  • - Lüfter, Zyklonfilter und Luftkanäle zur Belüftung des Generators ASM und des (Hoch­ leistungs-)Stromrichters- Fans, cyclone filters and air ducts for ventilation of the ASM generator and the (high performance) converter
  • - Verkabelung Generator-Stromrichter und Stromrichter-Mittelspannungstrafo- Wiring generator-converter and converter medium-voltage transformer
  • - Mittelspannungs(kompakt)schaltanlage MSS (im Turmfuss), komplett gekapselt- Medium voltage (compact) switchgear MSS (in the tower base), completely encapsulated
  • - Vollisoliertes Mittelspannungskabel für die Montage im Inneren des Turmes- Fully insulated medium voltage cable for mounting inside the tower

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.The wind power plant according to the invention allows variable-speed operation. Through the Its variable-speed operation is a complete elimination or at least a significant one Reduction of mechanical load impacts on the drive train, the rotor blades, the machine door ger and reachable to the tower. In the wind power plant according to the invention is in contrast uninterrupted operation of the wind power plant can be implemented in relation to the prior art, if there are short interruptions in the range of approximately 20 to 200 ms, this value being determined by the maximum energy that can be absorbed by the brake chopper. In the event of prolonged power interruptions or power failures, turning is gently switched off moments to avoid vibrations due to an overlay of possible natural frequencies to avoid the generator-converter system with components of the wind turbine the. In addition, in the wind energy installation according to the invention, the rotor blade natural frequency actively damped by approx. 3 kHz.

Im folgenden wird nun genauer auf die Steuerung und Regelung der erfindungsgemässen Wind­ energieanlage eingegangen. The following is now more precise on the control and regulation of the wind according to the invention energy system received.  

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.The control and regulation of the wind turbine according to the invention is based on a higher-level speed control. The speed can be adjusted depending on the wind speed by adjusting the rotor blades (pitch control). This function is taken over by the AS control system. A subordinate control of a converter tracks the output power of the generator converter GSR according to a control characteristic stored in the control system according to a current speed. Such a control characteristic is shown in FIG. 2 for continuous and short-term operation (<10 s). The speed is recorded independently for the AS system controller (external) and the GSR generator converter.

Eine einen Nennpunkt Pn übersteigende Drehzahl bzw. Leistung wird lediglich kurzzeitig (< 10 s) gefahren. Die Zeitdauer ist dabei durch die Ausregelzeit der Blattverstellung definiert.A speed or power exceeding a nominal point Pn is only briefly (<10 s) hazards. The time period is defined by the adjustment time of the blade adjustment.

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.The internal torque control achieves an accuracy of ± 5%. For the feed Solution in the network, however, higher accuracy is required. This is achieved by the Be calculation of the line converter power is used for correction. In addition, a DC or DC offset of all current and voltage transformers when switched off (Clock lock for line converter NSR and generator converter GSR) automatically to zero adjusted.

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.Given that the determination of the control characteristic shown in FIG. 2 as the rest of parameterization of the generator converter software from externally via a personal computer. The parameterization of the control characteristic can in principle be done with n-line segments or with a mathematically closed formula.

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.The regulation of the generator converter GSR ensures the active damping of sys natural frequencies in the range of 2 to 10 Hz (e.g. rotor blade natural frequencies). In contrast The stator flow-oriented regulation used here is essential for field-oriented regulation Lich more dynamic and thus leads to an inherent damping of the system in the above Frequency range. The frequency range mentioned is a guideline. With this high Dynamic control configuration has already been used in other applications at frequencies up to 50 Hz attenuated.

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.The line converter NSR converts the DC or DC voltage of the DC link ZK (e.g. 2800 V) into a 3-phase AC voltage. The main control variable for the NSR line converter is the DC link voltage or its maintenance. As soon as a power fed into the grid, ie a power of the line converter NSR exceeds a value of P max1 , as shown in FIG. 3, the brake chopper or instantaneous surge limiter BC is activated and a differential power P - P max1 in a resistor in heat implemented. P max2 is the upper limit of the maximum power that can be converted into heat in the instantaneous surge limiter BC. The behavior described above results in an excellent short-term flicker behavior for the entire wind turbine. The specified value P max1 , which defines the maximum feed-in power, can also be shifted towards greater power depending on the application.

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.However, in the event of a network interruption, regardless of its duration, even with the above regulation, there is still the problem that power would then be fed into the network since the value P max1 is undershot, and this problem has hitherto only been achieved by hard shutdown of the Wind turbine was eliminated when a grid interruption was detected. The associated disadvantages already discussed above were accepted.

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:
In order to eliminate these disadvantages of conventional wind energy plants, a distinction is therefore made in the wind energy plant according to the invention in the event of grid interruptions by the plant control system AS between two different cases:

  • 1. Kurzzeitige Netzunterbrechung während einer Zeitdauer t1 ≦ tmax mit tmax = 200 ms.1. Brief interruption in the network for a period of time t 1 ≦ t max with t max = 200 ms.
  • 2. Länger andauernde Netzunterbrechung bzw. Netzausfall, t1 < tmax.2. Longer grid interruption or power failure, t 1 <t max .

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.In the event of brief network interruptions, the wind power installation according to the invention can be operated without interruption. In this case, the wind energy installation is regulated in such a way that the generator-generated energy is converted into heat by the brake chopper or instantaneous surge limiter BC by setting the maximum feed power P max1 to zero. In this case, the instantaneous surge limiter BC is designed in such a way that it allows operation with nominal power, that is to say the nominal power P n is absorbed by the resistor, up to network interruptions lasting 200 ms.

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.The behavior of the wind power installation according to the invention with such a brief interruption in the network is now explained in more detail below with reference to FIG. 4. In Fig. 4, U denotes the mains voltage, P NSR the power of the mains converter NSR, P chopper the power of the brake chopper or instantaneous surge limiter BC and P d the power in the intermediate circuit.

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.In the event of a brief network interruption with a duration t ≦ t max , the system controller AS continues to strive to keep the speed of the rotor R constant. As a result, the power Pd in the DC link ZK remains constant, since the wind turbine continues to generate energy despite a power failure. So that the voltage in the DC link ZK does not rise inadmissibly, this energy is converted into heat in the resistance of the instantaneous surge limiter BC. Of course, such an "energy conversion" is not possible any number of times within a short time. The maximum permissible number of short-term network interruptions is, for example, 3x per 5 min, but it depends on the dimensioning of the resistance and its heating due to the "energy conversion". Exceeding this exemplary, predetermined value can lead to a shutdown of the wind energy installation due to overheating of the instantaneous surge limiter resistance. In this case, the AS control system can automatically restart the wind turbine after the resistance has cooled down.

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.From Fig. 4 it can be seen that during the failure of the mains voltage U over a period of time t 1 , while the power P d in the intermediate circuit ZK remains constant, the power P NSR of the mains power converter NSR goes to zero, while the power Pchopper of the instantaneous surge limiter increases to the value of P NSR before the start of t 1 . After the failure has ended, the power P NSR gradually increases again, while P Chopper decreases to the same extent until the state before the start of t 1 is restored.

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).The (high-performance) converter of the wind power installation according to the invention is also such that, despite the cooling failure (the auxiliary systems such as fans, coolant pumps, etc. are connected to the auxiliary winding of the medium-voltage transformer MST), for a period of at least t max with the nominal power P n can work (generator converter GSR and momentary surge limiter 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. In this way, a shutdown can take place in the wind power installation according to the invention a short-term network interruption can be avoided. Now you have to take the Case in which a network interruption lasts longer, causing an energy conversion through the instantaneous surge limiter BC is no longer possible due to the heating. This case is discussed in more detail below.  

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.Typically, a network failure, i.e. H. a prolonged network interruption during which generator operation of an asynchronous machine, for example in a conventional wind energy system, to an abrupt load cut-off. This load cut-off can cause due to the rapid change in torque, vibrations in the mechanical part of the wind cause energy system and thereby put considerable strain on the mechanical system. Therefore takes place in the wind power plant according to the invention in the event of a power failure by the plant gene control AS a linear reduction of the torque in the second range to zero, d. H. a soft shutdown. The energy generated as a generator during this time becomes converted into heat by the instantaneous surge limiter BC and vibrations in the mechanical parts are prevented or at least significantly reduced.

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.If a power failure lasts longer than, for example, 200 ms in the exemplary embodiment described, the system controller AS is caused to drive the rotor R into a spin mode via a feedback signal "signaling power failure". The (high-performance) converter itself drives the torque in a controlled and ramped manner to zero, as shown in FIG. 6 in the event of a prolonged power failure. The time t 2 until the torque and thus the power P d in the DC link ZK and the power P Chopper in the current overvoltage limiter BC is reduced to zero can be set, for example, to a maximum of 3 seconds. The energy generated is in turn converted into heat in the resistance of the momentary overvoltage limiter BC. This inventive, gentle reduction of the torque on the generator shaft helps to brake the rotor more quickly and prevents excitation of resonances, as can occur with a 100% load shedding.

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.In summary, the present invention thus discloses a wind turbine in which it is ensured that a performance up to a predetermined threshold is given during a power failure in the event of a short-term Grid interruption the wind turbine remains in operation, but no energy to the grid issues and in the event of a long-term network interruption the wind turbine softly is switched. For this purpose, only one branch is formed in the wind turbine connects the asynchronous motor or generator to the network, so that a reliable and quick reaction to changing network conditions is possible. This branch has a genera gate converter, an intermediate circuit and a line converter. To convert from  excess energy that cannot be fed into the grid is to shutdown to prevent in the event of brief interruptions in the network or a soft shutdown in the event of a to allow longer-term network interruption, a momentary surge limiter in the Intermediate circuit is formed in which this is converted into thermal energy. Beyond that discloses a method for operating a wind turbine.

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.
1. Wind turbine, with:
a rotor with adjustable rotor blades,
an asynchronous machine (ASM) driven by the rotor via a shaft,
A self-commutated converter, which has a generator converter (GSR), an intermediate circuit (ZK) with an instantaneous overvoltage limiting device (BC) and a network converter (NSR), which is located between the asynchronous machine (ASM) and a medium-voltage transformer (MST) and a medium-voltage switchgear downstream (MSS) is switched,
a control and regulating device (LGSR, LNSR, VSt), for detecting a power failure and for determining whether a power failure lasts longer than a predetermined first time period (t max ), and for outputting a signal indicating this information to a plant control device ( AS)
wherein the system control device (AS) is designed to control energy generation by the asynchronous machine (ASM), to control the self-commutated power converter and to control the instantaneous overvoltage limiting device (BC) and,
when the signal from the control and regulating device (LGSR, LNSR, VSt) indicates a power failure that is shorter than the predetermined first time period (t max ), the power in the intermediate circuit (ZK) keeps constant and the instantaneous overvoltage limiting device (BC) Art controls that the power in the intermediate circuit (ZK) instead of the line converter (NSR) is fed to the instantaneous overvoltage limiting device (BC) and the electrical energy is converted there into thermal energy, or
if the signal from the control and regulating device (LGSR, LNSR, VSt) indicates a power failure that is longer than the predetermined first time period (t max ), actuates an adjusting device for the rotor blades in such a way that the rotor is adjusted by adjusting the rotor blades in is operated in a spin mode, drives the self-commutated converter in such a way that the torque of the asynchronous motor (ASM) is controlled with a ramp function and slowly brought down to zero.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, wobei die Momentanüberspannungsbegrenzungseinrichtung (BC) einen Widerstand aufweist, in dem die elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird.2. Wind turbine according to claim 1, wherein the instantaneous surge limiting device (BC) has a resistance in  where the electrical energy is converted into thermal energy. 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.3. Wind power plant according to claim 1 or 2, wherein when the control and regulating device (LGSR, LNSR, VSt) detects an exceeding of a maximum power (P max1 ) by the current output power (P) at the output of the mains power converter (NSR) , a corresponding signal is output to the system control device (AS), and the system control device (AS) in response to this signal supplies the differential power (P - P max1 ) of the instantaneous overvoltage limiting device (BC) for converting electrical energy into thermal energy. 4. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem selbstgeführten Stromrichter Hochleistungsschalter mit parallel angeordneter Frei­ laufdiode verwendet werden.4. Wind turbine according to one of the preceding claims 1 to 3, wherein in the self-commutated power converter high-performance switch with parallel clearance run diode are used. 5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, wobei die Hochleistungsschalter in IGBT-Technologie aufgebaute Integrated power Module (IPM) sind.5. Wind turbine according to claim 4, wherein the high-performance switches built in IGBT technology Integrated Power Modules (IPM) are. 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.6. Wind turbine according to one of the preceding claims 1 to 5, wherein the instantaneous overvoltage limiting device (BC) is dimensioned such that in a predetermined number of times a conversion within a predetermined period tion of electrical energy in thermal energy is possible. 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.
7.Method for operating a wind power plant, with a rotor with adjustable rotor blades, an asynchronous machine (ASM) driven by the rotor via a shaft, a self-commutated converter, a generator converter (GSR), an intermediate circuit (ZK) with an instantaneous overvoltage limiting device ( BC) and a power converter (NSR), which is connected between the asynchronous machine (ASM) and a medium-voltage transformer (MST) and a medium-voltage switchgear downstream (MSS), and a control and regulating device (LGSR, LNSR, VSt) Detection of a power failure and for determining whether a power failure lasts longer than a predetermined first time period (t max ) and for outputting a signal indicating this information to a system control device (AS),
wherein the system control device (AS) is designed to control energy generation by the asynchronous machine (ASM), to control the self-commutated converter and to control the instantaneous overvoltage limiting device (BC) with the steps
before switching on or after switching off the wind turbine operating a control system in an operating state without a network via a backup battery, after switching on the medium voltage supplying all necessary auxiliary systems with the mains voltage,
Charging an intermediate circuit of the self-commutated converter via a precharging device to a peak value of the current line voltage and switching on a main contactor of the converter, a line and a generator converter not being clocked, detecting a wind speed by the system controller (AS) and when a lower limit value is exceeded the wind speed, giving a start command to a connection control device and contacting the generator and mains converter (GSR, NSR), so that an intermediate circuit voltage (Zk) is set to a nominal value and the wind power plant is in normal operation,
during normal operation of the wind energy installation, the control and regulating device (LGSR, LNSR, VSt) detect whether there is a power failure, and,
  • - If the power failure is shorter than the predetermined first time period (t max ), keep the power in the DC link (ZK) constant and control the instantaneous overvoltage limiter (BC) such that the power in the DC link (ZK) instead of the power converter (NSR) the instantaneous overvoltage limiting device (BC) is supplied and the electrical energy is converted there into thermal energy, or
  • - If the Netzausfakk is longer than the predetermined first time period (t max ), driving an adjusting device for the rotor blades in such a way that the rotor is driven in a spin mode by adjusting the rotor blades, and driving the self-commutated converter in such a way that the torque of the Asynchronous motor (ASM) controlled with a ram function and slowly brought down to zero.
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.8. The method according to claim 7, characterized by the further step of detecting a current output power (P) at the output of the line converter (NSR) and when a maximum power (P max1 ) is exceeded by the current output power (P) at the output of the line converter (NSR) Outputting a corresponding signal to the plant control device (AS), and in response to this signal by the plant control device (AS) supplying the differential power (P - P max1 ) to the instantaneous overvoltage limiting device (BC) for converting electrical energy into thermal energy. 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.9. The method according to claim 7 or 8, wherein in the event that a network interruption with a time period shorter than the predetermined first time period (t max ) occurs within a predetermined second time period more than a predetermined number of times, a shutdown as in a network interruption the predetermined first time period (t max ) takes place until the resistance of the instantaneous overvoltage limiting device (BC) has cooled below a predetermined temperature.
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