DE10145347A1

DE10145347A1 - Windparkanlage

Info

Publication number: DE10145347A1
Application number: DE10145347A
Authority: DE
Inventors: Jin Shen; Steffen Bernet; Lothar Heinemann
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Renergys GmbH
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-04-03
Also published as: WO2003025390A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windparkanlage (1). Für den Aufbau der bekannten Einrichtungen dieser Art müssen eine Vielzahl von einzelnen Bauelementen zusammengefügt werden, weshalb der gesamte Aufbau sehr teuer und aufwendig ist. Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgemäßen Windparkanlage (1) dadurch umgangen, dass er in einfacher Weise aus einer oder mehreren Baueinheiten (2, 10, 20, 30 und 40) zusammengebaut werden kann. Jede der Baueinheiten (2, 10, 20, 30 und 40) weist wenigstens eine mit variabler Geschwindigkeit arbeitende Windturbine (3) auf, deren Antriebswelle (4) mit einem elektrischen Generator (5) mechanisch in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windparkanlage zum Gewinnen elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Windparkanlage kommt bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus Windkraft zur Anwendung.
Die bis jetzt bekannten Windparkanlagen dieser Art weisen eine oder mehrere Windturbinen auf, die sich mit variabler Geschwindigkeit drehen. Jede Windturbine ist mit einem Turbinengenerator bestückt, der einen oder mehrere Flügel aufweist, die an einer drehbaren Antriebswelle befestigt sind. Mit dieser Antriebswelle steht der Rotor oder der Stator eines elektrischen Generators direkt oder über ein Getriebe in mechanischer Verbindung. Der Aufbau dieser Einrichtungen ist wegen der Vielzahl der erforderlichen Bauelemente sehr aufwendig und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windparkanlage aufzuzeigen, die eine vereinfachte und kostengünstige Verschaltung von Windturbinen ermöglicht, und zudem einen einfachen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Baueinheit für eine Windparkanlage,
Fig. 2 bis 5 weitere Baueinheiten für eine Windparkanlage,
Fig. 6 eine Ringschaltung von Baueinheiten gemäß Fig. 2,
Fig. 7 eine Sternschaltung von Baueinheiten gemäß Fig. 2,
Fig. 8 eine Ringschaltung von Baueinheiten gemäß Fig. 4,
Fig. 9 einen mehrstufigen Aufbau einer Windparkanlage,
Fig. 10 einen weiteren Aufbau einer Windparkanlage,
Fig. 11 eine weitere Variante einer Windparkanlage,
Fig. 12 und 13 die in Fig. 11 verwendeten Schalter,
Fig. 14 und 15 eine Windparkanlage mit zusätzlichen Energiespeichern.
Die in Fig. 1 dargestellte Windparkanlage 1 besteht im wesentlichen aus einer Baueinheit 2, die eine Windturbine 3, eine drehbare Antriebswelle 4, einen Generator 5 und einen Gleichrichter 6 umfasst. Die Windturbine 3 kann mit mehreren Flügeln bestückt werden, die an der drehbaren Antriebswelle 4 befestigt sind. Die Antriebswelle 4 ist mechanisch mit einem Stator oder einem Rotor (hier nicht dargestellt) des Generators 5 verbunden. Die Ausgänge des Generators 5 sind an den Gleichrichter 6 angeschlossen. Mit seiner Hilfe wird die vom Generator 5 gelieferte Wechselspannung in eine Gleichspannung umgesetzt.
Fig. 2 zeigt eine Baueinheit 10. Sie wird durch die Parallelschaltung von zwei oder mehreren Grundbaueinheiten 2 gebildet. Der Gleichrichter 6 der Baueinheiten 2 sind über eine gemeinsame Gleichspannungsleitung 11 an einen Wechselrichter 12 angeschlossen, dem ein Aufwärtstransformator 13 nachgeschaltet ist. Der Wechselrichter 12 wandelt die Gleichspannung, die an den Ausgängen der Gleichrichter 6 anliegt in eine Wechselspannung um, die dem Aufwärtstransformator 13 zugeführt wird. Der Ausgang des Transformators 13 ist an eine dreiphasige Leitung für Wechselspannung 14 angeschlossen.
Die in Fig. 3 dargestellte Baueinheit 20 ist aus zwei oder mehreren Baueinheiten 10 zusammengefügt, die über eine gemeinsame dreiphasige Wechselspannungsleitung 14 parallel geschaltet und über eine dreiphasige Übertragungsleitung für Wechselspannung 15 an ein Verbundnetz 100 angeschlossen sind.
Fig. 4 zeigt eine Baueinheit 30, die aus mehreren über eine gemeinsame Gleichspannungsleitung 11 parallel geschalteten Baueinheiten 2 besteht. Die Gleichspannungsleitung 11 ist an den Eingang eines Gleichspannungsumwandlers 19 mit integriertem Transformator (hier nicht dargestellt) angeschlossen.
Die in Fig. 5 dargestellte Baueinheit 40 wird durch die Parallelschaltung von zwei oder mehreren Baueinheiten 30 gebildet, die über eine gemeinsame Gleichspannungsleitung 14 zur Übertragung der elektrischen Energie an ein Verbundnetz 100 angeschlossen sind. Die Gleichspannungsleitung 14 ist an den Eingang eines Wechselrichters 16 angeschlossen, dessen Wechselspannungsausgang an einen Leistungstransformator 17 angeschlossen ist. Die Oberspannungsseite des Transformators 17 ist an ein Verbundnetz 100 angeschlossen.
Fig. 6 zeigt mehrere Baueinheiten 10, die über eine gemeinsame, dreiphasige Ringschaltung 50 für Wechselspannung miteinander verbunden. Die Ringschaltung 50 ist über eine dreiphasige Leitung für Wechselspannung 51 zur elektrischen Energieübertrag an ein Verbundnetz 100 angeschlossen.
Fig. 7 zeigt mehrere Baueinheiten 10, die über eine gemeinsame, dreiphasige Sternschaltung 52 für Wechselspannung miteinander verbunden sind. Die Sternschaltung 52 ist über eine dreiphasige Leitung für Wechselspannung 51 zur elektrischen Energieübertragung an ein Verbundnetz 100 angeschlossen.
Fig. 8 zeigt mehrere Baueinheiten 2, 30, die über eine gemeinsame Gleichspannungs- Ringschaltung 53 miteinander verbunden sind. Die Gleichspannungs-Ringschaltung 53 ist an einen Eingang eines Wechselrichters 54 angeschlossen. Der Wechselspannungsausgang des Wechselrichters 54 steht mit einem Transformator 55 in Verbindung, der über eine dreiphasige Übertragungsleitung 56 für Wechselspannung an ein Verbundnetz 100 anschließbar ist.
Fig. 9 zeigt eine Windparkanlage 1, die mehrstufig aufgebaut ist. Die erste Stufe umfasst zwei oder mehrere Baueinheit 60. Diese sind selbst aus Baueinheiten 10 zusammengesetzt, von denen eine Baueinheit 10 in Fig. 2 dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung erläutert ist. Jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten 10 sind dabei zu einer Baueinheit 60 parallel miteinander verschaltet, wobei die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten 10 an einen gemeinsamen Transformator 61 angeschlossen, der die von den Baueinheiten 10 gelieferten Wechselspannungen aufwärts transformiert.
Eine zweite Stufe umfasst zwei oder mehrere Baueinheiten 62. Diese sind aus Baueinheiten 60 zusammengesetzt. Jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten 60 sind dabei zu einer Baueinheit 62 parallel miteinander verschaltet, wobei die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten 60 an einen gemeinsamen Transformator 63 angeschlossen, der die von den Baueinheiten 60 gelieferten Wechselspannungen aufwärts transformiert.
Eine dritte Stufe umfasst wenigstens eine Baueinheit 64. Diese ist aus Baueinheiten 62 zusammengesetzt. Jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten 62 sind hierfür zu einer Baueinheit 64 parallel miteinander verschaltet, wobei die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten 62 an einen gemeinsamen Transformator 65 angeschlossen, der die von den parallel geschalteten Baueinheiten 62 gelieferten Wechselspannungen aufwärts transformiert. Diese Bildung von Stufen kann beliebig oft wiederholt werden. Zur Optimierung der Kosten des elektrischen Systems und zur Minimierung von Verlusten bei der Energieübertragung innerhalb der Windparkanlage ist es sinnvoll die Wechselspannung der letzten Stufe sehr hoch umzuspannen. Dadurch können die Transformatoren 61 und 63 in den darunter liegenden Stufen 60 bzw. 62 mit einer kleineren Leistung ausgebildet werden können.
Fig. 10 zeigt eine Windparkanlage 1, die ebenfalls mehrstufig aufgebaut ist. Die erste Stufe umfasst zwei oder mehrere Baueinheit 70. Diese sind selbst aus Baueinheiten 2, 30 zusammengesetzt von denen jeweils eine Baueinheit 2, 30 in den Fig. 2 und 4 dargestellt und in den zugehörigen Beschreibungen erläutert ist. Jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten 2, 30 sind zu einer Baueinheit 70 parallel miteinander verschaltet, wobei die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten 2, 30 an einen gemeinsamen Gleichspannungsumwandler 71 angeschlossen sind, der die von den Baueinheiten 2, 30 gelieferten Gleichspannungen aufwärts transformiert.
Eine zweite Stufe umfasst zwei oder mehrere Baueinheiten 72. Diese sind aus Baueinheiten 70 zusammengesetzt. Jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten 70 sind dabei zu einer Baueinheit 72 parallel miteinander verschaltet, wobei die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten 70 an einen gemeinsamen Gleichspannungsumwandler 73 angeschlossen, der die von den Baueinheiten 70 gelieferten Gleichspannungen aufwärts transformiert Eine dritte Stufe umfasst wenigstens eine Baueinheit 74. Diese ist aus Baueinheiten 72 zusammengesetzt. Jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten 72 sind hierfür zu einer Baueinheit 74 parallel miteinander verschaltet, wobei die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten 72 auch hier an einen gemeinsamen Gleichspannungsumwandler 75 angeschlossen, der die von den parallel geschalteten Baueinheiten 72 gelieferten Gleichspannungen aufwärts transformiert. Die Bildung solcher Stufen kann beliebig oft wiederholt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es sinnvoll den Windturbinen 3, die den Baueinheit 2, 30 zugeordnet sind, Generatoren 5 nach zu schalten, die eine Ausgangsspannung zwischen 1 kV und 25 kV liefern.
Erfindungsgemäß können wie in Fig. 11 dargestellt, zwei jeweils parallel geschaltete und unmittelbar benachbarte Baueinheiten 2, 10 über jeweils einen Schalter 25, 26 - elektrisch miteinander verbunden oder von einander getrennt werden. In entsprechender Weise können auch zwei parallel geschaltete und unmittelbar benachbarte Baueinheiten 60, 70 über einen Schalter 25, 26 elektrisch miteinander verschaltet verbunden oder voneinander getrennt werden. In den Fig. 12 und 13 ist jeweils einer dieser Schalter 25, 26 dargestellt. Fig. 12 zeigt einen Schalter 25, der wie alle übrigen Schalter 25 in Fig. 11 als Thyristor ausgebildet ist, während es sich bei den Schaltern 26 um insulated Gate Bipolar Thyristoren handelt, wie Fig. 13 zu entnehmen ist. Diese Möglichkeit der elektrischen Verbindungen zwischen den Baueinheiten 2, 10, 60, 62, 64, 70, 72 und 74 ist beim Auftreten von Kurzschlüssen in den Baueinheiten 2, 10, 60, 62, 64, 70, 72 und 74 von Vorteil.
Fig. 14 zeigt eine Windparkanlage 1, bei der die Antriebswelle 4 einer Windturbine 3 über ein Getriebe 92 mit einem Generator 91 in Verbindung steht. Zu der Windturbine 3 sind zwei Baueinheiten 10, 20 parallel geschaltet. Der Aufbau der Baueinheiten 10, 20 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und in den zugehörigen Beschreibungen erläutert. Der Wechselspannungsausgang des Generators 91 ist an einen Transformator 93 angeschlossen ist. Dieser ist zusammen mit den Leistungstransformatoren (hier nicht dargestellt) der Baueinheiten 10, 20 über eine dreiphasige Übertragungsleitung für Wechselspannung 94 an ein Verbundnetz 100 angeschlossen. Zusätzlich sind Energiespeicher 95 bzw. 96 in der Windparkanlage 89 vorgesehen, die zu den Windturbinen parallel geschaltet sind. Der Energiespeicher 95 ist als Schwungrad ausgebildet, während es sich beim Energiespeicher 96 um eine oder mehrere Batterien handelt. Der Energiespeicher 95 ist über eine Serienschaltung bestehend aus einem Wechselrichter 97 und einem Gleichrichter 98 sowie einem Aufwärtstransformator 99 mit der dreiphasigen Übertragungsleitung 94 für Wechselspannung verbunden. Der Energiespeicher 96 ist an die elektrische Verbindung zwischen dem Wechselrichter 97 und dem Gleichrichter 98 angeschlossen. Die Energiespeicher 95 und 96 können entweder auf der Seite des Verbundnetzes 100 angeordnet werden, wie in Fig. 14 dargestellt, oder aber auf der Seite der Windparkanlage 1 (hier nicht dargestellt).
In Fig. 15 sind zu einer Baueinheit 30, 40 zwei Windturbinen 3 parallel geschaltet, deren Antriebswellen 4 über jeweils ein Getriebe 92 mit jeweils einem Generator 91 in Verbindung stehen. Einer der Generatoren 91 ist an einen Transformator 93 angeschlossen, dessen Oberspannungsseite an einen Gleichrichter 101 angeschlossen ist. Dem zweiten Generator 91 ist ein Gleichrichter 103 und ein Gleichspannungsumwandler 104 nachgeschaltet. Die Spannungsausgänge des Gleichrichters 101, des Gleichspannungsumwandlers 104 und die der Baueinheiten 30, 40 sind parallel verschaltet und über eine Gleichspannungsleitung 106 an einen Wechselrichter 107 angeschlossen, der mit einem Verbundnetz 100 in Verbindung steht. Ein Energiespeicher 96, der eine oder mehrere Batterien umfasst (hier nicht dargestellt) ist über einen Gleichspannungsumwandler 105 an die Gleichspannungsleitung 106 angeschlossen.

Claims

1. Windparkanlage zum Gewinnen von elektrischer Energie mit wenigstens einer mit variabler Geschwindigkeit arbeitenden Windturbine (3), deren Antriebswelle (4) mit einem elektrischen Generator (5) mechanisch in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass jede Windparkanlage (1) aus einer oder mehreren Baueinheiten (2, 10, 20, 30,40) zusammengebaut ist, und dass jede Baueinheit (2, 10, 20, 30, 40) eine mit variabler Geschwindigkeit arbeitende Windturbine (3) aufweist, deren Antriebswelle (4) mit einem elektrischen Generator (5) mechanisch in Verbindung steht.

2. Windparkanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (2) eine Windturbine (3) aufweist, die direkt oder über ein Getriebe (92) mechanisch mit einem mehrphasigen Generator (5) verbunden ist, dessen elektrische - Spannungsausgänge an einen Gleichrichter (6) sind.

3. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Baueinheit (10) aus mehrerer parallel geschalteten Baueinheiten (2) zusammengefügt ist, bei denen die Spannungsausgänge des Gleichrichters (6) über wenigstens eine gemeinsame Leitung für Gleichspannung (11) elektrisch mit einem Wechselrichter (12) verbunden sind,, dessen Ausgang an einen Aufwärtstransformator (13) angeschlossen ist.

4. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Baueinheit (20) aus mehrerer parallel geschalteten Baueinheiten (10) zusammengefügt ist, und dass die Spannungsausgänge der Aufwärtstransformatoren (13) über eine gemeinsame, dreiphasige Leitung für Wechselspannung (14) und eine dreiphasige Übertragungsleitung (15) an ein Verbundnetz (100) anschließbar sind.

5. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Baueinheit (30) aus mehrerer parallel geschalteten Baueinheiten (2) zusammengefügt ist, deren Gleichrichter (6) über eine gemeinsame Gleichspannungsleitung (11) an einen Gleichspannungsumwandler (19) mit integriertem Transformator angeschlossen sind.

6. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine Baueinheit (40) aus mehrerer parallel geschalteten Bauelementen (30) zusammengefügt ist, bei denen die Spannungsausgänge der Gleichspannungsumwandler mit integriertem Transformator (19) über eine gemeinsame Gleichspannungsleitung (14) an einen Wechselrichter (16) angeschlossen sind, dem ein Leistungstransformator (17) nachgeschaltet ist, dessen Oberspannungsseite an ein Verbundnetz (100) anschließbar ist.

7. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Baueinheiten (10) über eine gemeinsame Ringschaltung (50) miteinander verbunden und über eine dreiphasige Übertragungsleitung für Wechselspannung (51) an ein Verbundnetz (100) angeschlossen sind, und dass die Ringschaltung (50) als gemeinsame Wechselspannungsleitung ausgebildet ist.

8. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Baueinheiten (10) über eine gemeinsame Sternschaltung (52) miteinander verbunden und über eine dreiphasige Übertragungsleitung für Wechselspannung (51) an ein Verbundnetz (100) angeschlossen sind, und dass die Sternschaltung (52) aus Wechselspannungsleitungen aufgebaut ist.

9. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsausgänge von mehrere Baueinheiten (2, 30) über eine gemeinsame Ringschaltung (53) miteinander verbunden sind, die an einen Wechselrichter (54) angeschlossen ist, dessen Wechselspannungsausgang mit einem Leistungstransformator (55) verbunden ist, dessen Oberspannungsseite über eine dreiphasige Übertragungsleitung für Wechselspannung (56) an ein Verbundnetz (100) anschließbar ist.

10. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet, durch einen mehrstufigen Aufbau, bei dem eine erste Stufe zwei oder mehrere Baueinheiten (60) umfasst, die parallel zueinander geschaltet sind, dass jede Baueinheit (60) aus wenigstens zwei parallel geschalteten Baueinheiten (10) besteht, die alle mit einem ersten Aufwärtstransformator (61) in Reihe geschaltet sind, dass eine zweite Stufe zwei oder mehrere Baueinheiten (62) umfasst, die aus Baueinheiten (60) zusammengesetzt sind, dass zwei oder mehrere Baueinheiten (60) zu einer Baueinheit (62) parallel miteinander verschaltet sind, und die Spannungsausgänge der parallel zueinander geschalteten Baueinheiten (60) an einen gemeinsamen Aufwärtstransformator (63) angeschlossen sind, dass eine dritte Stufe mit zwei oder mehrere Baueinheiten (64) vorgesehen ist, die aus Baueinheiten 62 zusammengesetzt sind, dass jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten (62) zu einer Baueinheit (64) parallel miteinander verschaltet sind, und die Spannungsausgänge der parallel zueinander geschalteten Baueinheiten (62) an einen gemeinsamen Transformator (65) angeschlossen.

11. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet, durch einen mehrstufigen Aufbau, dass die erste Stufe zwei oder mehrere Baueinheit (70) umfasst, dass jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten (2, 30) sind zu einer Baueinheit (70) parallel miteinander verschaltet sind, und die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten (2, 30) an einen gemeinsamen Gleichspannungsumwandler (71) angeschlossen sind, dass eine zweite Stufe zwei oder mehrere Baueinheiten (72) aufweist, die aus Baueinheiten (70) zusammengesetzt sind, dass jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten (70) zu einer Baueinheit (72) parallel miteinander verschaltet sind, und die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten (70) an einen gemeinsamen Gleichspannungsumwandler (73) angeschlossen, dass eine dritte Stufe zwei oder mehrere Baueinheiten (74) umfasst, die aus Baueinheiten (72) zusammengesetzt sind, dass jeweils zwei oder mehrere Baueinheiten (72) zu einer Baueinheit (74) parallel miteinander verschaltet sind, wobei die Spannungsausgänge der parallel miteinander verschalteten Baueinheiten (72) an einen gemeinsamen Gleichspannungsumwandler (75) angeschlossen sind.

12. Windparkanlage nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei unmittelbar benachbarte und parallel geschaltete Baueinheiten (2, 10 bzw. 60, 70 bzw. 62, 72, bzw. 64, 74) über wenigstens einen Schalter (25, 26) miteinander verbindbar oder voneinander trennbar sind, und dass jeder Schalter (25) als Tyristor und jeder Schalter (26) als IGBT (insulated Gate Bipolar Thyristor) ausgebildet ist.

13. Windparkanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Baueinheiten (10, 20, 30, 40) wenigstens ein Energiespeicher (95, 96) in Form einer Batterie oder eines Schwungrads parallel geschaltet ist.