DE102004007461A1

DE102004007461A1 - Method for operating a wind turbine, and accordingly configured wind turbine

Info

Publication number: DE102004007461A1
Application number: DE102004007461A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gevers
Original assignee: HELGERS FINANZBERATUNG GmbH
Current assignee: HELGERS FINANZBERATUNG GmbH
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2005078278A1

Abstract

Die Erfindung schlägt bei einem Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage, wobei über ein Getriebe ein Generator angetrieben wird und wobei die vom Generator erzeugte elektrische Energie über einen Umrichter in ein Stromnetz eingespeist wird, vor, daß bei vorbestimmten Betriebszuständen - wie bei Ausfall des Stromnetzes - die vom Generator erzeugte Energie kontrolliert abgeführt wird. Sie schlägt weiterhin bei einer Windkraftanlage, mit einem Getriebe, einem Generator und einem Umrichter sowie mit einem Anschluß zur Verbindung der Windkraftanlage mit einem Stromnetz, ein Sicherheitsmodul vor, welches einen Energiespeicher oder elektrischen Verbraucher aufweist sowie eine elektronische Schaltung, wobei die elektronische Schaltung bei Ausfall des Stromnetzes die Energieableitung von durch den Generator erzeugter Energie in den Energiespeicher oder zu dem elektrischen Verbraucher regelt.The Invention proposes in a method of operating a wind turbine, wherein over a Gearbox is driven by a generator and being the generator generated electrical energy over a Inverter is fed into a power grid, that at predetermined operating conditions - as in the case of power failure - the energy generated by the generator controlled discharged becomes. she beats continue with a wind turbine, with a gearbox, a generator and a converter and with a connection for connecting the wind turbine with a power grid, a security module in front, which is an energy storage or electrical consumer and an electronic circuit, wherein the electronic circuit in case of power failure, the Energy dissipation of generated by the generator energy in the Energy storage or to the electrical consumer regulates.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8The The invention relates to a method according to the preamble of the claim 1 and a wind turbine according to the preamble of the claim 8th

Aus der Praxis ist es bekannt, bei jüngeren Windkraftanlagen zur Erzeugung der elektrischen Energie einen doppelt eingespeisten Asynchrongenerator zu verwenden, der mit einem hierfür speziell entwickelten Umrichter betrieben wird. Ein derartiger Umrichter weist einen Eigenschutzmechanismus auf, welcher bei bestimmten Betriebszuständen, insbesondere bei Ausfall des Stromnetzes, Schäden am Umrichter vermeiden soll. Als Eigenschutz-„Mechanismus" in diesem Zusammenhang ist auch eine elektronische Schaltung zu verstehen, welche den gewünschten Schutz gegen elektrische und/oder mechanische Überlastung des Umrichters bewirkt.Out In practice, it is known in younger wind turbines to generate the electrical energy a double-fed Asynchronous generator to be used with a specially developed for this purpose Inverter is operated. Such a converter has a self-protection mechanism on, which in certain operating conditions, especially in case of failure of the mains, damage on the inverter should avoid. As a self-protection "mechanism" in this context is also an electronic circuit to understand which the desired Protection against electrical and / or mechanical overload of the inverter causes.

Bei den Windkraftanlagen kann ein vorzeitiger Verschleiß des Getriebes auftreten, wobei bislang in erster Linie mechanische Einflüsse für diesen vorschnellen Verschleiß verantwortlich gemacht werden, beispielsweise plötzlich auftretende Windböen, denen eine Verstellung des Anstellwinkels der Rotoren nicht schnell genug entsprechen kann.at The wind turbines can cause premature wear of the gearbox occur so far, primarily mechanical influences for this rash Wear responsible be made, for example, sudden gusts of wind, which an adjustment of the angle of attack of the rotors not fast enough can correspond.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern und eine dementsprechende Windkraftanlage anzugeben, dass eine möglichst lange Lebensdauer der Windkraftanlage mit möglichst geringem Aufwand erzielbar ist.Of the Invention is based on the object, a generic method To improve to that effect and a corresponding wind turbine indicate that as possible Long life of the wind turbine with the least possible effort achievable is.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 und durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.These The object is achieved by a method with the method steps of Claim 1 and by a wind turbine with the features of Claim 8 solved.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, bei bestimmten Betriebszuständen, wie dem erwähnten Netzausfall, den Generator kontrolliert abzuschalten. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Überlegung aus, dass Schäden am Getriebe nicht allein aufgrund der mechanischen Einwirkung über den die Rotorblätter aufweisenden, dem Wind ausgesetzten Rotor erfolgt, sondern dass Schäden auch von der anderen Seite der Windkraftanlage her auftreten können, nämlich von der elektrischen Seite: Beim Netzausfall wird zum Schutz des Umrichters die Läuferwelle des Generators kurzgeschlossen. Durch diesen Kurzschluß weist der Generator in kürzester Zeit einen erheblich gestiegenen Drehwiderstand auf, so dass dementsprechend mechanische Schläge in das Getriebe eingeleitet werden. Der zum Schutz des Umrichters vorgesehene Eigenschutzmechanismus schützt demzufolge zwar wirksam den Umsetzer, gefährdet aber in letzter Konsequenz das Getriebe der Windkraftanlage.The Invention proposes in other words, in certain operating conditions, such as the mentioned Mains failure to switch off the generator in a controlled manner. The invention goes from the surprising consideration from that damage on the transmission not only due to the mechanical action over the the rotor blades having wind-exposed rotor, but that damages as well can occur from the other side of the wind turbine, namely from the electrical side: In case of power failure, the protection of the inverter the rotor shaft shorted of the generator. By this short-circuit points the generator in the shortest possible time Time a significantly increased rotational resistance, so that accordingly mechanical shocks be introduced into the transmission. The protection of the inverter provided self-protection mechanism therefore protects effectively the converter, endangered but in the last consequence, the transmission of the wind turbine.

Der vorliegende Vorschlag kann etwa mit der Verwendung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung in Windkraftanlagen zum Schutz von Getriebe, Generator, Umrichter und//oder anderen Bauteilen von mechanischer oder elektrischer Überlastung verglichen werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, die im Generator erzeugte und bei Netzausfall nicht in das Stromnetz abführbare elektrische Energie auf eine beliebige andere Weise kontrolliert zu verbrauchen, statt die Läuferwelle des Generators kurzzuschließen. Ein derartiger Verbrauch kann beispielsweise durch Heizwiderstände erfolgen, beispielsweise dem Fachmann bekannte sogenannte „dump loads". Diese können als Heizelemente ausgestaltet werden, die zum Schutz vor Überhitzung und aus Gründen der Wärmeabfuhr beispielsweise im Erdreich angeordnet werden. Alternativ ist denkbar, die im Generator er zeugte und bei Netzausfall nicht in das Stromnetz abführbare elektrische Energie in einen Energiespeicher einzuspeisen, aus dem sie später verbraucht werden kann.Of the The present proposal can be approximately with the use of an uninterruptible Power supply in wind turbines to protect transmission, generator, Inverter and / or other components of mechanical or electrical overload compared become. Thus, for example, be provided in the generator generated and in case of power failure not be discharged into the power grid electrical To consume energy in any other way, instead of the rotor shaft to short-circuit the generator. Such consumption can be done for example by heating resistors, for example, so-called "dump loads" known to the person skilled in the art Heating elements are designed to protect against overheating and for reasons the heat dissipation be arranged for example in the ground. Alternatively, it is conceivable in the generator he testified and in case of power failure not in the power grid dissipated to feed electrical energy into an energy store, from which they later can be consumed.

Diese kontrollierte Ableitung der im Generator durch die weitergehende Drehbewegung des Rotors erzeugte Energie verhindert, dass der Eigenschutzmechanismus des Umrichters anspricht, so dass auf kostengünstige Weise Umrichter ohne einen derartigen Eigenschutzmechanismus verwendet werden können, wenn das vorschlagsgemäße Sicherheitsmodul verwendet wird.These controlled derivative of the in the generator by the more advanced Rotational motion of the rotor generated energy prevents the self-protection mechanism the inverter responds, so in a cost effective way inverter without Such a self-protection mechanism can be used when the proposed security module is used.

Das Sicherheitsmodul bewirkt einerseits die Ableitung der nach Netzausfall noch erzeugten elektrischen Energie, so dass beispielsweise Netzausfälle mit einer Dauer im Bereich von Sekundenbruchteilen gefahrlos überbrückt werden.The Safety module on the one hand causes the derivation of after power failure still generated electrical energy, so that, for example, power outages with a duration in the range of fractions of seconds are safely bridged.

Das Sicherheitsmodul kann andererseits, ähnlich wie die vorerwähnte unterbrechungsfreie Stromversorgung, ermöglicht, den Generator von seinem elektrische Energie erzeugenden Betriebszustand in einen Ruhezustand „herunterzufahren". Diese zusätzliche Schutzmaßnahme ist beispielsweise bei Netzausfällen vorteilhaft, die nicht im Bereich von Sekundenbruchteilen liegen, sondern die über eine längere Zeit andauern, beispielsweise in Regionen mit besonders instabiler Stromversorgung, und in welchen Fällen die Einleitung elektrischer, vom Generator erzeugter Energie in die dafür vorgesehenen Verbraucher zur Zerstörung der Verbaucher führen könnte, beispielsweise zur Überhitzung der Heizelemente, oder in welchen Fällen zur Aufnahme der entsprechenden Energiemengen ausreichend dimensionierte Energiespeicher unwirtschaftlich wären.The Security module, on the other hand, similar to the aforementioned uninterruptible power supply, allows the generator of its electrical energy generating operating condition to "shut down" to an idle state defense is for example in case of power outages advantageous, which are not in the range of fractions of a second, but the over a longer one Time, for example, in regions with particularly unstable Power supply, and in which cases the initiation of electrical, Energy generated by the generator in the designated consumer to destruction the consumer could lead, for example for overheating the heating elements, or in which cases to accommodate the corresponding Energy quantities sufficiently dimensioned energy storage uneconomical would.

Das erwähnte „Herunterfahren" des Generators in einen Ruhezustand kann bis zum Stillstand des Rotors der Windkraftanlage erfolgen, so daß der Generator keinen Strom mehr erzeugt. Es kann jedoch auch ein Minimalbetrieb des Generators als Ruhezustand vorgesehen sein. In einem derartigen Minimalbetrieb kann eine minimale Energiemenge erzeugt werden, die erstens problemlos abgeleitet werden kann und zweitens die Aufrechterhaltung elektrischer Überwachungs- oder Regelungsschaltungen ermöglicht. Zudem erfolgt in einem derartigen „Minimalbetrieb" eine Drehung des Rotors mit einer „Minimaldrehzahl", so dass anschließend das Anlaufen des Rotors und die erneute Inbetriebnahme der Windkraftanlage erleichtert wird, da der Rotor nicht aus dem Stillstand unter Überwindung entsprechender Losbrechmomente in Drehung versetzt werden muss.The mentioned "shutting down" of the generator into an idle state can take place until the rotor of the wind turbine stops, so that the generator no longer generates power, however, it can also be a minimum operation of the generator as Ru be provided. In such a minimum operation, a minimum amount of energy can be generated which, firstly, can be easily dissipated and, secondly, allows the maintenance of electrical monitoring or control circuits. In addition, in such a "minimum operation" is a rotation of the rotor with a "minimum speed", so that then the start-up of the rotor and the re-commissioning of the wind turbine is facilitated because the rotor does not have to be rotated from standstill while overcoming breakaway torques in rotation ,

In an sich bekannter Weise können die Anstellwinkel der Rotorblätter verändert werden, um die Energieerzeugung durch den Generator zu drosseln oder auf Null herunterzufahren. Das vorschlagsgemäße Sicherheitsmodul kann daher eine Schaltung aufweisen, die nicht nur die Ableitung der in das Stromnetz nicht abzuführenden Energie auslöst, sondern die auch diese Rotorblattverstellung auslöst und ggf. weitere Maßnahmen einleitet, um insbesondere den Umrichter und das Getriebe zu schützen.In in a known manner the angle of attack of the rotor blades changed be used to throttle power generation by the generator or to shut down to zero. The proposed security module can therefore have a circuit that is not just the derivative of the power grid not payable Energy triggers, but also triggers this rotor blade adjustment and possibly further measures in particular to protect the inverter and the gearbox.

Anhand der rein schematischen Darstellung einer Windkraftanlage wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.Based the purely schematic representation of a wind turbine is below an embodiment closer to the invention explained.

Dabei ist mit 1 insgesamt eine Windkraftanlage bezeichnet, die einen Rotor 2 aufweist, mit einer Nabe 3 und Rotorblättern 4. Die Rotorblätter 4 weisen Stellmotoren auf, mit denen sich der Anstellwinkel des jeweiligen Rotorblattes beeinflussen lässt. Um bei unzulässigen Windgeschwindigkeiten oder beim Netzausfall ein Abschalten der Windkraftanlage 1 zu ermöglichen, sind diese Stellmotoren in an sich bekannter Weise.durch einen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt, wie durch einen Akkumulator.It is with 1 Overall, a wind turbine called a rotor 2 has, with a hub 3 and rotor blades 4 , The rotor blades 4 have servo motors with which the angle of attack of the respective rotor blade can be influenced. In case of inadmissible wind speeds or in the event of a power failure, switching off the wind turbine 1 to allow these actuators are in a conventional manner. supplied by an energy storage with electrical energy, such as by an accumulator.

In einer mit 5 angedeuteten Gondel ist ein Getriebe 6 angeordnet sowie ein Generator 7, der in an sich bekannter Weise mittelbar durch den Rotor 2 und mit gegenüber der Rotordrehzahl geänderter Drehzahl unmittelbar durch das Getriebe 6 angetrieben wird und elektrischen Strom erzeugt.In one with 5 indicated gondola is a transmission 6 arranged as well as a generator 7 , which in a manner known per se indirectly by the rotor 2 and with respect to the rotor speed changed speed directly through the transmission 6 is driven and generates electricity.

Weiterhin weist die Windkraftanlage 1 einen Umrichter 8 auf. Dieser Umrichter 8 kann ohne einen an sich bekannten Eigenschutzmechanismus ausgestaltet sein, oder es kann ein derartiger Eigenschutzmechanismus vorhanden sein, der jedoch abgeschaltet ist.Furthermore, the wind turbine 1 an inverter 8th on. This inverter 8th can be configured without a self-protection mechanism known per se, or it can be such a self-protection mechanism is present, but which is turned off.

Die Windkraftanlage 1 ist durch einen mit 9 angedeuteten Anschluß an ein Stromnetz – wie beispielsweise ein öffentliches Stromnetz – angeschlossen. Bei Netzausfall werden Schäden an der Windkraftanlage 1 durch ein Sicherheitsmodul 10 verhindert, welches schaltungstechnisch insofern zwischen dem Umrichter 8 und dem Anschluß 9 angeordnet ist, als das Sicherheitsmodul 10 sowohl den Umrichter 8 als auch in dem Umrichter 8 vorgelagerten Komponenten der Windkraftanlage 1 schützt, also auch den Generator 7 und das Getriebe 6.The wind turbine 1 is through with a 9 indicated connection to a power grid - such as a public power grid - connected. In case of power failure, damage to the wind turbine 1 through a security module 10 Prevents which circuit technology insofar between the inverter 8th and the connection 9 is arranged as the security module 10 both the inverter 8th as well as in the inverter 8th upstream components of the wind turbine 1 protects, including the generator 7 and the gearbox 6 ,

Das Sicherheitsmodul 10 stellt erstens sicher, dass die nach dem Ausfall des Netzes durch den Generator 7 weiterhin erzeugte elektrische Energie kontrolliert abgeführt wird, ohne dass beispielsweise der Generator 7 kurzgeschlossen werden muß, und weiterhin stellt das Sicherheitsmodul 10 bei länger andauerndem Netzausfall sicher, dass der Generator 7 kontrolliert in eine Ruhezustand heruntergefahren wird, also in seiner Leistung gedrosselt oder bis auf Null reduziert wird, beispielsweise durch entsprechende Verstellung der Rotorblätter 4.The security module 10 Firstly, make sure that after the failure of the grid by the generator 7 Furthermore generated electrical energy is removed in a controlled manner, without, for example, the generator 7 must be shorted, and continues to provide the security module 10 in case of prolonged power failure, make sure that the generator 7 controlled in an idle state is shut down, so throttled in its performance or reduced to zero, for example, by appropriate adjustment of the rotor blades 4 ,

Vorschlagsgemäß, und nicht nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, ist vorgesehen, dass bei Ausfall des Stromnetzes auch im Milisekundenbereich eine ausreichende Menge an Energie durch das Sicherheitsmodul 10 zur Verfügung gestellt wird, oder vom Sicherheitsmodul genutzt wird, welche Menge an Energie ein sicheres Abschalten und koordiniertes Herunterfahren der Windkraftanlage 1 ermöglicht.According to the proposal, and not limited to the illustrated embodiment, it is provided that in case of failure of the power grid in the milisecond range, a sufficient amount of energy through the security module 10 is made available, or used by the security module, which amount of energy a safe shutdown and coordinated shutdown of the wind turbine 1 allows.

Claims

Method for operating a wind power plant, wherein a generator is driven via a gear, and wherein the electrical energy generated by the generator is fed via a converter into a power grid, characterized in that at predetermined operating conditions - as in the case of power failure - that of the generator ( 7 ) energy is dissipated controlled.

A method according to claim 1, characterized in that when the predetermined operating state of the generator ( 7 ) is brought into an idle state in which it generates minimal or no electrical energy by adjusting the angle of attack of rotor blades ( 4 ).

Method according to claim 1 or 2, characterized that for the predetermined operating conditions measures provided for by means of an electronic circuit within fractions of a second be initiated.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the generator ( 7 ) energy is fed into an energy store.

A method according to claim 4, characterized in that the energy storage before Auftre th of the predetermined operating state is only filled to a portion of its capacity, this sub-capacity is dimensioned such that the energy stored in the energy storage for shutting down the wind turbine ( 1 ) is sufficient - how to turn off the generator ( 7 ).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the generator ( 7 ) energy is supplied to a consumer.

Method according to Claim 6, characterized that the energy in heat is converted.

Wind turbine, comprising a gearbox, a generator, and an inverter, and having a connection for connecting the Windkraftan position with a power network, characterized by a security module ( 10 ), which has an energy store or electrical consumer and an electronic circuit, wherein the electronic circuit in case of failure of the power grid, the energy dissipation of by the generator ( 7 ) generates energy in the energy storage or to the electrical consumer regulates.

Wind turbine according to claim 8, characterized in that the security module ( 10 ) the coordinated transition of the wind turbine ( 1 ) in an idle state, such that the generator ( 7 ) generates minimal or no electrical energy in the resting state.

Wind power plant according to claim 8 or 9, characterized in that the security module ( 10 ) circuitry between the inverter ( 8th ) and the connection ( 9 ) is arranged on the power grid, such that the security module ( 10 ) both the inverter ( 8th ) as well as the transmission ( 6 ) protects.

Wind power plant according to claim 10, characterized in that the converter ( 8th ) waiving one exclusively the converter ( 8th ) protective self-protection mechanism - such as a so-called Scraw Bar - is designed.