DE10117212A1 - Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage - Google Patents
Verfahren zum Betrieb einer WindenergieanlageInfo
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Abstract
Ein Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage mit einem Drehstromgenerator (3) mit einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter (6) im Rotorkreis für einen drehzahlvariablen Generatorbetrieb soll die wirtschaftliche Erzeugung elektrischer Energie auch bei schwachem Wind ermöglichen. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass der Drehstromgenerator (3) bei normalen Windverhältnissen im Normalbetrieb als doppeltgespeiste Asynchronmaschine (DASM) betrieben und bei geringem Wind außerhalb seines untersynchronen Arbeitsbereiches durch Trennen seines Stators (4) vom Stromnetz (8) und Kurzschließen desselben über einen dreiphasigen Schlupfwiderstand (14) zu einer einfachen Asynchronmaschine (ASM) umgeschaltet und als solche betrieben wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer
Windenergieanlage mit einem Drehstromgenerator mit
einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter im
Rotorkreis für einen drehzahlvariablen
Generatorbetrieb.
Windenergieanlagen mit Propellerblättern mit
verstellbarem Anstellwinkel können mit variabler
Drehzahl betrieben werden. Eine typische Anlage besitzt
einen doppeltgespeisten Drehstromgenerator, dessen
Rotorkreis über einen Spannungszwischenkreis-Umrichter
mit dem Stromnetz verbunden ist. Der Umrichter besteht
beispielsweise aus zwei IGBT-Pulswechselrichtern, die
über einen Gleichspannungzwischenkreis miteinander
verbunden sind. Mittels einer feldorientierten Regelung
des Umrichters werden frequenzvariable, dreiphasige,
sinusförmige Rotorströme ausgesteuert, die einen
oberschwingungsarmen Netzstrom im Stator induzieren.
Das Windungsverhältnis zwischen Stator und Rotor sowie
der Spannungssteuerbereich des Generators bestimmen den
nutzbaren Schlupfbereich des Generators, der bei
bekannten Anlagen bei +/-35% Schlupf liegt.
Windenergieanlagen mit hoher Leistung, beispielsweise
mit 2 MW, erzeugen auch bei geringem Wind noch ein
beachtliches Drehmoment, das aber mit den bekannten
Betriebsverfahren nicht zur wirtschaftlichen
Energieerzeugung genutzt werden kann. Dies liegt daran,
dass die Ausnutzung des untersynchronen
Drehzahlbereichs beim üblichen Betrieb des Generators
als doppeltgespeiste Asynchronmaschine auf eine untere
Drehzahlgrenze stößt, bei der eine notwendige
Vergrößerung der Umrichterspannung zu unwirtschaftlich
hohen Eisenverlusten des Stators am Stromnetz führt.
Die so erzeugbare elektrische Energie wird unterhalb
einer Grenzdrehzahl kleiner als die vom Stator aus dem
Netz aufgenommene Energie.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage
anzugeben, das die wirtschaftliche Erzeugung
elektrischer Energie auch bei schwachem Wind
ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Drehstromgenerator bei normalen Windverhältnissen
im Normalbetrieb als doppeltgespeiste Asynchronmaschine
betrieben und bei geringem Wind außerhalb seines
wirtschaftlichen untersynchronen Arbeitsbereiches durch
Trennen seines Stators vom Stromnetz und Kurzschließen
desselben über einen dreiphasigen Schlupfwiderstand zu
einer einfachen Asynchronmaschine umgeschaltet und als
solche betrieben wird.
Die Erfindung ermöglicht die wirtschaftliche Erzeugung
elektrischer Energie mit Windenergieanlagen sowohl im
üblichen Drehzahlbereich als auch bei geringeren
Drehzahlen, die die bekannten Betriebsverfahren nicht
abdecken. Dadurch können die erfindungsgemäß
betriebenen Windenergieanlagen auch dann noch Energie
erzeugen, wenn herkömmlich betriebene Anlagen bereits
abgeschaltet werden und nutzlos herumstehen. Über große
Zeiträume können daher mit einer erfindungsgemäß
betriebenen Windenergieanlage im Mittel wesentlich
größere Energiemengen erzeugt werden als mit
herkömmlich betriebenen.
In bekannten Windenergieanlagen ist es üblich, dass ein
Statorkabel zum Anschluss des Stators an das Stromnetz
von dem am oberen Ende des Anlagenturms angeordneten
Generator durch den Turm hindurch bis zu einem am Fuß
des Turms angeordneten Schaltkasten verläuft, wo es mit
dem Stromnetz verbunden wird. In einem solchen
Schaltkasten oder in seiner Nähe werden
zweckmäßigerweise auch ein Schalter zum Trennen des
Stators vom Stromnetz und ein Schalter zum
Kurzschließen des Stators über den dreiphasigen
Schlupfwiderstand angeordnet. Bei einer solchen
Anordnung kann das erfindungsgemäße Verfahren
verbessert werden, indem ein innerhalb der
Windenergieanlage vom Stator zu einem Netzanschluss
führendes dreiphasiges Kabel als dreiphasiger
Schlupfwiderstand verwendet wird. Durch diese Maßnahme
kann der Aufwand für einen besonderen Schlupfwiderstand
entfallen. Das ohnehin vorhandene Kabel übernimmt
einfach die Rolle des Schlupfwiderstands.
In einer bevorzugten Ausführung form des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der
im Normalbetrieb als 4-Quadranten-Pulsumrichter
dienende Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter des
Rotors zum Vollumrichter für den im Stator über den
Schlupfwiderstand kurzgeschlossenen Drehstromgenerator
gemacht wird.
Das Verfahren kann noch verbessert werden durch die
Maßnahme, dass eine Steuervorrichtung zur Frequenz- und
Spannungssteuerung zweier Pulswechselrichter mit
Gleichspannungszwischenkreis vorgesehen ist, die von
der feldorientierten Regelung der Rotorerregung der
doppeltgespeisten Asynchronmaschine auf eine
feldorientierte Regelung der einfachen
Asynchronmaschine, deren Stator über den
Schlupfwiderstand kurzgeschlossen ist, umgeschaltet
wird.
Eine Abwandlung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahren
für andere Betriebszustände sieht vor, dass der
Drehstromgenerator für die Inbetriebsetzung und/oder
beim Aufbau der Windenergieanlage als Asynchronmotor
betrieben wird, wobei sein Stator vom Stromnetz
getrennt und über einen dreiphasigen Schlupfwiderstand
kurzgeschlossen wird.
Die Erfindung umfasst auch eine Windenergieanlage, die
zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahren geeignet und entsprechend
ausgestaltet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer für die
Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens geeignete Windenergieanlage;
Fig. 2 ein Diagramm mit einer normierten
Darstellung der erzeugten Leistung in
Abhängigkeit von der Drehzahl.
In Fig. 1 erkennt man einen Turm 1 einer
Windenergieanlage mit einem aus drei Propellerblättern
bestehenden Propeller 2, bei dem die Anstellwinkel der
Propellerblätter stufenlos verstellbar sind, um bei
unterschiedlichsten Windverhältnissen ein für die
Energieerzeugung ausreichendes Drehmoment über einen
großen Drehzahlbereich zu gewährleisten.
Ein Drehstromgenerator 3 ist über eine mechanische
Verbindung 22 mit dem Propeller 2 verbunden und wird
von diesem angetrieben. Der Drehstromgenerator 3
besitzt einen Stator 4 und einen Rotor 5.
Der Stator 4 des Drehstromgenerators 3 kann entweder
über einen ersten Schalter 13 mit dem Stromnetz 8 oder
alternativ über einen dreiphasigen Schlupfwiderstand 14
und einen zweiten Schalter 15 zu einer
kurzgeschlossenen Wicklung elektrisch verbunden werden.
Im vorliegenden Schaltbild ist dieser
Ständerkurzschluss mit dem Bezugszeichen 16 versehen.
Der Rotor 5 ist elektrisch mit einem Umrichter 6
verbunden, der seinerseits über einen dritten Schalter
7 mit dem Stromnetz 8 verbunden oder von diesem
getrennt werden kann.
Der Umrichter 6 besteht aus zwei Pulswechselrichtern 9,
10, die über einen Gleichspannungszwischenkreis 11
elektrisch miteinander verbunden sind. Verschiedene
Betriebszustände des Umrichters 6 werden mittels einer
Steuervorrichtung 12 für die Frequenz- und
Spannungssteuerung der beiden Pulswechselrichter 9, 10
hergestellt.
Im Diagramm der Fig. 2 ist auf der Abszisse eine
Drehzahl n aufgetragen, die auf eine Nenndrehzahl nN
normiert ist. Es spielt keine Rolle, ob es sich dabei
um die Drehzahl des Propellers 2 oder die des Rotors 5
handelt, denn diese beiden Drehzahlen unterscheiden
sich höchstens um einen konstanten Faktor, der durch
ein ggf. zwischengeschaltetes starres
Übersetzungsgetriebe bedingt sein kann. Der konstante
Faktor wird aber durch die Normierung des Maßstabs der
Abszisse auf die Nenndrehzahl eliminiert.
Auf der Ordinate des Diagramms von Fig. 2 ist eine auf
eine Nennleistung PN normierte elektrische Leistung P
des Drehstromgenerators 3 aufgetragen, die dieser an
das Stromnetz 8 abgeben kann. Die Leistungskurve des
Diagramms besteht aus vier gut unterscheidbaren
Abschnitten 17, 18, 19, 20.
Bei genügend starkem Wind wird die Windenergieanlage im
Abschnitt 17 betrieben. Dabei wird die für die
Erzeugung der Nennleistung PN erforderliche Drehzahl nN
überschritten. Durch Verstellen des Anstellwinkels der
Propellerblätter 2 wird die tatsächliche Drehzahl n der
Windstärke angepasst und dabei durch entsprechende
Steuerung des Umrichters 6 mittels der
Steuervorrichtung 12 die an das Stromnetz 8 abgegebene
Leistung P konstant auf der Nennleistung PN gehalten.
Der Drehstromgenerator 3 wird in diesem Bereich im
Normalbetrieb als doppeltgespeiste Asynchronmaschine,
der Umrichter 6 mittels der Steuervorrichtung 12 als 4-
Quadranten-Pulsumrichter betrieben. Der
Normalbetriebszustand ist in der Fig. 2 mit DASM
bezeichnet.
Bei schwächer werdendem Wind kann die für die Erzeugung
der Nennleistung PN erforderliche Drehzahl nN nicht
mehr gehalten werden. Im Bereich 18 der Leistungskurve
fällt daher die tatsächlich abgegebene Leistung P unter
die Nennleistung PN ab und zwar in etwa proportional
zur abfallenden Drehzahl n, bis eine minimale Drehzahl
erreicht ist, mit der die Windenergieanlage im
Normalbetriebszustand DASM noch wirtschaftlich
betrieben werden kann. Bei noch schwächeren Windstärken
müsste eine Windenergieanlage ohne das erfindungsgemäße
Betriebsverfahren stillgesetzt werden.
Die Erfindung ermöglicht aber den Weiterbetrieb der
Windenergieanlage bei sehr schwachem Wind, durch
Umschalten in einen Betriebszustand ASM, in dem der
Drehstromgenerator 3 als Asynchronmaschine und der
Umrichter 6 als Vollumrichter betrieben wird. Dabei
wird der Stator 4 durch Öffnen des ersten Schalters 13
vom Stromnetz 8 getrennt und über den Schlupfwiderstand
14 durch Schließen des zweiten Schalters 15
kurzgeschlossen. Somit wird verhindert, dass die
Eisenverluste des Stators 4 am Stromnetz 8 die
gleichzeitig vom Generator erzeugte elektrische Energie
überwiegen.
Wie man im Diagramm von Fig. 2 erkennen kann, fällt
der Abschnitt 20 der Leistungskurve wiederum in etwa
proportional mit der Drehzahl ab, allerdings mit einer
flacheren Steigung als im Abschnitt 18. Dieser
Betriebszustand ASM ermöglicht die wirtschaftliche
Energieeinspeisung bei geschlossenem dritten Schalter 7
in das Stromnetz 8 auch noch bei sehr geringen
Drehzahlen n, die bei sehr geringen Windstärken
erreicht werden. Im Abschnitt 20 der Leistungskurve
kann die erfindungsgemäß betriebene Windenergieanlage
somit zusätzliche Energie erzeugen, die von einer auf
herkömmliche Art betriebene Anlage nicht erzeugt werden
kann.
Diese Energiedifferenz, die bei der herkömmlichen
Windenergieanlage verloren wäre, kann unter Umständen
enorm groß werden. Die Höhe der Differenz hängt im
wesentlichen von den Windverhältnissen am Standort der
Anlage ab. Je größer die Zeiträume mit schwachen
Windverhältnissen sind, desto größer wird die
zusätzlich gewonnene Energie.
Die Drehzahlbereiche der beiden Betriebszustände ASM
und DASM überschneiden sich in dem in Fig. 2 durch
Strichelung angedeuteten Umschaltbereich 21. Der
Umschaltpunkt kann dabei je nach dem verwendeten
Steueralgorithmus mal bei etwas höheren oder etwas
niedrigeren Drehzahlen n liegen. Entsprechend
unterschiedlich kann daher auch die zugehörige
elektrische Leistung P ausfallen. Der dritte Abschnitt
19 der Leistungskurve stellt daher nicht den
tatsächlichen Verlauf dar, sondern ist lediglich als
schematische Darstellung des Übergangs zu verstehen.
1
Turm
2
Propeller
3
Drehstromgenerator
4
Stator
5
Rotor
6
Umrichter
7
dritter Schalter
8
Stromnetz
9
Pulswechselrichter
10
Pulswechselrichter
11
Gleichspannungszwischenkreis
12
Steuervorrichtung
13
erster Schalter
14
Schlupfwiderstand
15
zweiter Schalter
16
Ständerkurzschluss
17
erster Abschnitt
18
zweiter Abschnitt
19
dritter Abschnitt
20
vierter Abschnitt
21
Umschaltbereich
22
mechanische Verbindung
P elektrische Leistung
PN Nennleistung
n Drehzahl
nN Nenndrehzahl
ASM Betrieb als Asynchronmaschine/Vollumrichterbetrieb
DASM Betrieb als doppeltgespeiste Asynchronmaschine/Normalbetrieb
P elektrische Leistung
PN Nennleistung
n Drehzahl
nN Nenndrehzahl
ASM Betrieb als Asynchronmaschine/Vollumrichterbetrieb
DASM Betrieb als doppeltgespeiste Asynchronmaschine/Normalbetrieb
Claims (8)
1. Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage mit
einem Drehstromgenerator (3) mit einem
Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter (6) im
Rotorkreis für einen drehzahlvariablen
Generatorbetrieb, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Drehstromgenerator (3)
bei normalen Windverhältnissen im Normalbetrieb
als doppeltgespeiste Asynchronmaschine (DASM)
betrieben und bei geringem Wind außerhalb seines
wirtschaftlichen untersynchronen Arbeitsbereiches
durch Trennen seines Stators (4) vom Stromnetz
(8) und Kurzschließen desselben über einen
dreiphasigen Schlupfwiderstand (14) zu einer
einfachen Asynchronmaschine (ASM) umgeschaltet
und als solche betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, dass ein innerhalb der
Windenergieanlage vom Stator (4) zu einem
Netzanschluss führendes dreiphasiges Kabel als
dreiphasiger Schlupfwiderstand (14) verwendet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass der im
Normalbetrieb (DASM) als 4-Quadranten-
Pulsumrichter dienende Gleichspannungs
zwischenkreis-Umrichter (6) des Rotors (5) zum
Vollumrichter für den im Stator (4) über den
Schlupfwiderstand (14) kurzgeschlossenen
Drehstromgenerator (3) gemacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, dass eine
Steuervorrichtung (12) zur Frequenz- und
Spannungssteuerung zweier Pulswechselrichter (9,
10) mit Gleichspannungszwischenkreis (11)
vorgesehen ist, die von der feldorientierten
Regelung der Rotorerregung der doppeltgespeisten
Asynchronmaschine (DASM) auf eine feldorientierte
Regelung der einfachen Asynchronmaschine (ASM),
deren Stator (4) über den Schlupfwiderstand (14)
kurzgeschlossen ist, umgeschaltet wird.
5. Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage mit
einem Drehstromgenerator (3) mit einem
Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter (6) im
Rotorkreis für einen drehzahlvariablen
Generatorbetrieb, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Drehstromgenerator (3)
für die Inbetriebsetzung und/oder beim Aufbau der
Windenergieanlage als Asynchronmotor betrieben
wird, wobei sein Stator (4) vom Stromnetz (8)
getrennt und über einen dreiphasigen
Schlupfwiderstand (14) kurzgeschlossen wird.
6. Windenergieanlage mit einem Drehstromgenerator
(3) mit einem Gleichspannungszwischenkreis-
Umrichter (6) im Rotorkreis für einen
drehzahlvariablen Generatorbetrieb, da
durch gekennzeichnet, dass
der Stator (4) des Drehstromgenerators (3) in
einem ersten Betriebszustand über einen ersten
Schalter (13) mit dem Stromnetz (8) verbindbar
und in einem zweiten Betriebszustand über einen
zweiten Schalter (15) und einen dreiphasigen
Schlupfwiderstand (14) kurzschließbar ist, so
dass der Drehstromgenerator (3) bei normalen
Windverhältnissen im Normalbetrieb als
doppeltgespeiste Asynchronmaschine (DASM)
betreibbar und bei geringem Wind außerhalb seines
untersynchronen Arbeitsbereiches durch Trennen
seines Stators (4) vom Stromnetz (8) und
Kurzschließen desselben über einen dreiphasigen
Schlupfwiderstand (14) zu einer einfachen
Asynchronmaschine (ASM) umschaltbar und als
solche betreibbar ist.
7. Windenergieanlage nach Anspruch 6, da
durch gekennzeichnet, dass
eine Steuervorrichtung zur Frequenz- und
Spannungssteuerung zweier Pulswechselrichter (9,
10) mit Gleichspannungszwischenkreis (11)
vorgesehen ist, die von der feldorientierten
Regelung der Rotorerregung der doppeltgespeisten
Asynchronmaschine (DASM) auf eine feldorientierte
Regelung der einfachen Asynchronmaschine (ASM),
deren Stator (4) über den Schlupfwiderstand (14)
kurzgeschlossen ist, umschaltbar ist, so dass der
im Normalbetrieb als 4-Quadranten-Pulsumrichter
dienende Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter
(6) des Rotors (5) als Vollumrichter für den im
Stator (4) über den Schlupfwiderstand (14)
kurzgeschlossenen Drehstromgenerator (3)
betreibbar ist.
8. Windenergieanlage nach Anspruch 6 oder 7, da
durch gekennzeichnet, dass
der dreiphasige Schlupfwiderstand (14) ein
innerhalb der Windenergieanlage vom Stator (4) zu
einem Netzanschluss am Fuß des Turms (1)
führendes dreiphasiges Kabel ist.
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