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Die
Erfindung betrifft eine Windenergieanlage umfassend einen Windrotor
zum Antrieb eines Asynchrongenerators zur Abgabe elektrischer Leistung
an einen Transformator.
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Windenergieanlagen
werden in immer größer werdenden
Leistungsklassen produziert. Bei günstigen Windbedingungen können diese
Windenergieanlagen eine hohe Leistung zur Einspeisung in ein Netz
abgeben. Bei im Meer aufgestellten Windenergieanlagen ist der Betrieb
mit oder nahe bei Volllast sehr häufig. Bei an der Küste oder
gar weiter im Binnenland aufgestellten Windenergieanlagen sind die
Windbedingungen hingegen häufig
nicht so günstig.
Die Windenergieanlagen sollen daher so ausgelegt sein, dass sie
auch bei weniger günstigen
Windbedingungen noch ausreichend elektrische Leistung zur Verfügung stellen.
Die Erhöhung
der Leistungsausbeute unter Schwachwindbedingungen ist daher wichtig,
um die Wirtschaftlichkeit einer Windenergieanlage gerade an solchen
ohnehin schon schwierigen Standorten zu erhöhen. Je größer die Nennleistung einer
Windenergieanlage ist, umso häufiger
ist zu erwarten, dass sie bezogen auf ihre Nennleistung im Schwachwindbetrieb
läuft.
Da außerdem
für Windenergieanlagen
hoher Leistungsklassen häufig Asynchrongeneratoren
verwendet werden, stellt sich die Aufgabe, Windenergieanlagen mit
Asynchrongeneratoren hinsichtlich ihres Betriebsverhaltens bei Schwachwind
zu verbessern.
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Bei
schwachem Wind läuft
der Windrotor der Windenergieanlage mit niedriger Drehzahl. Der
von dem Windrotor direkt oder über
ein Getriebe angetriebene Generator läuft daher auch mit vergleichsweise
niedriger Drehzahl. Sie liegt recht weit unter der durch die Netzfrequenz
und die Polradzahl eindeutig bestimmten Synchrondrehzahl. Das bedeutet, dass
ein verhältnismäßig hoher
Schlupf im Asynchrongenerator auftritt. Das aus dem Generator und dem
Umrichter gebildete elektrische System der Windenergieanlage ist
aber nur bis zu einem bestimmten Schlupf ausgelegt. In der Regel
ist dies ein Grenzschlupf von etwa 25%. Will man diesen Bereich nach
unten zu niedrigeren Drehzahlen hin erweitern, so ist dafür an sich
ein größer dimensionierter
Umrichter erforderlich. Dies ist aber aufwendig und damit teuer.
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Es
sind daher alternative Möglichkeiten
ersonnen worden, um mit einem herkömmlichen Generator-/Umrichtersystem
einen Schwachwindbetrieb mit höherem
Schlupf zu ermöglichen.
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Die
erste Möglichkeit
besteht darin, für
den Schwachwindbetrieb die Wicklung des Stators des Generators kurzzuschließen. Der
Generator gibt dann die erzeugte elektrische Leistung allein über den
Rotorkreis aus. Das bedeutet, dass die gesamte Leistung durch den
Umrichter fließen
muss. Die Asynchronmaschine wird also in diesem Fall mit einer Art
Vollumrichter-Konzept betrieben. Die sich aus der Verwendung einer
doppelt gespeisten Asynchronmaschine ergebenden Vorteile werden
damit zumindest für
diese Betriebsart aufgegeben. Die zweite Möglichkeit besteht darin, eine
Stern-Dreiecks-Umschaltung für
den Stator vorzusehen. Bei dieser Umschaltung handelt es sich um
eine im Prinzip seit Jahrzehnten bewährte Schaltung, um Drehstrommaschinen
in zwei verschiedenen Arbeitspunkten zu betreiben. Solche Stern-Dreiecks-Umschaltung
bedingt einen verhältnismäßig aufwendigen Umschalter.
Er muss einerseits dafür
dimensioniert sein, die gesamte im Statorkreis auch unter Volllast erzeugte
Leistung aufzunehmen, und zum anderen muss er jede einzelne Wicklung
des Stators in zwei völlig
verschiedene Weisen schalten können,
nämlich
einmal auf einen gemeinsamen Sternpunkt und einmal im Dreieck mit
den jeweils beiden anderen Wicklungen verbunden. Es hat sich gezeigt,
dass beide der vorstehend genannten Möglichkeiten immer noch verhältnismäßig aufwendig
sind, und zudem die Zuverlässigkeit
beeinträchtigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von der zuletzt
genannten Möglichkeit eine
Schaltung und ein Verfahren anzugeben, womit eine Verbesserung des
Betriebsverhaltens bei Schwachwind bei geringerem Aufwand und höherer Zuverlässigkeit
erreicht werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Lösung liegt
in den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Bei
einer Windenergieanlage umfassend einen Windrotor zum Antrieb eines
Asynchrongenerators zur Abgabe elektrischer Leistung an einen Transformator,
der eine erste Primärwicklung
aufweist und an die über
eine Verbindung der Generator angeschlossen ist, ist gemäß der Erfindung
vorgesehen, dass der Transformator eine zweite Primärwicklung
aufweist und eine Zusatzschaltung mit einem Umschalter in der Verbindung
vorgesehen ist, der dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem Schaltsignal
den Generator mit der ersten oder zweiten Primärwicklung zu verbinden.
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Nachfolgend
seien einige Begriffe erläutert:
Unter
einem Asynchrongenerator wird eine Asynchronmaschine verstanden,
die als Generator betrieben ist. Die Asynchronmaschine kann mit
einem kurzgeschlossenen Rotor (Käfigläufer-Asynchronmaschine)
oder mit einem gewickelten Rotor (doppelt gespeiste Asynchronmaschine)
ausgebildet sein. Im Fall der doppelt gespeisten Asynchronmaschine
soll unter Stator diejenige Wicklung verstanden werden, die direkt
mit dem Transformator bzw. dem Netz verbunden ist, und unter Rotor
die andere Wicklung, an die der Umrichter angeschlossen ist; diese
Benennung gilt unabhängig
davon, welche der beiden Wicklungen sich tatsächlich mit der Antriebswelle
dreht.
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Die
Begriffe „erste" und „zweite" dienen der Unterscheidung
der Primärwicklungen.
Sie sind nicht abschließend
zu verstehen. Insbesondere können noch
weitere (dritte, vierte etc.) Primärwicklungen vorgesehen sein.
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Die
Erfindung beruht auf dem Gedanken, mittels der Zusatzschaltung und
ihrem Umschalter die elektrische Leistung abgebende Wicklung des Generators
(bei einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine ist dies in der
Regel die stillstehende Wicklung des Stators) je nach Betriebszustand
auf einem höheren
oder niedrigeren Spannungsniveau zu betreiben. Bei Starkwindbetrieb
ist der Stator mit der ersten Primärwicklung verbunden, bei Schwachwindbetrieb
mit der zweiten. Dabei verhält
sich das Wicklungsverhältnis
des Trafos in der Regel so, dass die zweite Primärwicklung ein geringeres Spannungsniveau
als die erste Primärwicklung
aufweist. Damit erreicht die Erfindung, dass der Stator im Schwachwindbetrieb
auf einem niedrigeren Spannungsniveau gehalten ist. Das bedingt,
dass auch die Rotorspannung zwangsläufig sinkt. Die niedrigere
Spannung am Rotor wiederum ermöglicht
einen Betrieb mit höherem
Schlupf. So kann bspw. bei ansonsten unverändertem Generator und Umrichter
ein Schlupf von gut 35% erreicht werden, verglichen mit einem herkömmlichen
Maximalwert von 25%. Wegen des überproportionalen
Zusammenhangs mit der erzeugten Leistung bedeutet diese Vergrößerung des
Schlupfs um 10% eine enorme Ausdehnung des nutzbaren Leistungsspektrums
bei schwachem Wind. Das Vorsehen von stärker dimensionierten Umrichtern
ist hierzu nicht nötig.
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Der
für die
Erfindung erforderliche Zusatzaufwand ist minimal. Dies umso mehr
deshalb, da häufig
ohnehin bereits Transformatoren mit zwei Primärwicklungen vorhanden sind,
um Rotor- und Statorkreis auf getrennten (aber herkömmlicherweise jeweils
unveränderten)
Spannungsniveaus zu betreiben. Dank der Erfindung ist es so ermöglicht,
mit einer 3-Megawatt-Windenergieanlage das Schwachwindverhalten
einer 2-Megawatt-Anlage zu erreichen, und dabei mit dem schwächer dimensionierten (und
damit weniger aufwendigeren) Umrichter der 2-Megawatt-Anlage auszukommen.
Der Umrichter, der üblicherweise
eines der teueren Komponenten der Windenergieanlage ist, kann damit
kleiner ausfallen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass
der erfindungsgemäße Umschalter
für die
zweite Primärwicklung
nur eine geringe Leistung zu übertragen braucht.
Er kann damit klein dimensioniert sein und ist dank geringer Belastung
auch zuverlässig
im Betrieb. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Erfindung
damit auf verblüffend
einfache Weise eine Ausdehnung des Betriebsbereichs bei Schwachwindbedingungen
und damit eine Steigerung des Ertrags mit einer Erhöhung der
Zuverlässigkeit
bei geringem Aufwand verknüpft.
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Es
ist nicht unbedingt erforderlich, dass die beiden Primärwicklungen
als vollständige
eigene Wicklungen ausgeführt
sind. Es kann genügen,
wenn eine der Primärwicklungen
mittels einer Anzapfung der anderen Primärwicklungen ausgebildet ist.
Häufig
ist die zweite Primärwicklung
eine Anzapfung der ersten. Der für
die zweite Primärwicklung
erforderliche Aufwand verringert sich damit weiter.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Generator als eine doppelt gespeiste
Asynchronmaschine ausgeführt
ist. Bei dieser Bauart ist ein unabhängiger Stator- und Rotorkreis
vorhanden. Üblicherweise
ist bei Verwendung eines solchen Generators der Stator direkt mit
dem Transformator verbunden, während der
Rotor über
einen Umrichter geführt
ist. Es ist aber auch die umgekehrte Schaltungsanordnung möglich. Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
wird in dieser Anmeldung davon ausgegangen, dass die drehende Wicklung,
der Rotor, mit dem Umrichter verbunden ist. Die Erfindung ist aber
nicht darauf beschränkt, sondern
erstreckt sich genauso auf die umgekehrte Anordnung.
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Zweckmäßigerweise
weist die Zusatzschaltung weiter eine Zusatzsteuereinrichtung zur
selbsttätigen
Erzeugung des Schaltsignals auf. Dies ist zwar nicht unbedingt erforderlich,
da das Schaltsignal auch von der in der Regel ohnehin vorhandenen Betriebssteuerung
der Windenergieanlage ausgegeben werden kann. Aus Gründen der
autarken Ausführung
und zur Vereinfachung einer Nachrüstung ist aber eine eigene,
gesonderte Zusatzsteuereinrichtung für die Zusatzschaltung von Vorteil.
Vorzugsweise umfasst die Zusatzsteuereinrichtung ein Leistungsmonitormodul,
das mit einem Klassifikationsmodul verbunden ist. Dabei ist das
Klassifikationsmodul dazu ausgebildet, von dem Leistungsmonitormodul
abgegebene Signale in ein Schwach- und ein Starkwindbetrieb zu klassifizieren.
Je nach dem Ergebnis der Klassifikation gibt die Zusatzsteuereinrichtung
das Schaltsignal an den Umschalter aus, um den Stator mit der ersten
(für Starkwindbetrieb)
oder zweiten (für
Schwachwindbetrieb) Primärwicklung
zu verbinden.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch.
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Danach
ist bei einem Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit
einem Windrotor, einen damit angetriebenen Asynchrongenerator zur Abgabe
elektrischer Leistung an einen Transformator, wobei der Generator über einen
Umschalter mit dem Transformator verbunden ist und je nach Stellung
des Umschalters in einer ersten oder zweiten Betriebsart betrieben
wird, gemäß der Erfindung
vorgesehen, dass die Windenergieanlage in einer der Betriebsarten
betrieben wird, wobei der Generator mit einer Primärwicklung
des Transformators verbunden ist, die von der Windenergieanlage
abgegebene Leistung überwacht
wird und bestimmt wird, ob sie in einem Schaltbereich liegt, und
dass der Umschalter betätigt
wird, wodurch der Generator mit einer anderen Primärwicklung
verbunden ist, und Betreiben der Windenergieanlage in der anderen
Betriebsart.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren überwacht
im Betrieb die Leistung, und entscheidet danach, ob eine Starkwind-
oder eine Schwachwindsituation vorliegt. Je nach dem wird der Umschalter
betätigt,
so dass der Generator mit einer zu der jeweiligen Windsituation
passenden Primärwicklung
verbunden ist. Wie vorstehend bereits ausführlich erläutert wurde, ist für einen
Starkwindbetrieb die herkömmliche
erste Primärwicklung
vorgesehen, während
für den
Schwachwindbetrieb gemäß der Erfindung
auf eine zweite Primärwicklung
umgeschaltet wird. Die zweite Primärwicklung ist vorzugsweise
für ein
niedrigeres Spannungsniveau verglichen mit der ersten Primärwicklung
ausgelegt, weshalb es zweckmäßig ist,
sie als eine Anzapfung der ersten Primärwicklung auszuführen.
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Es
sei noch angemerkt, dass für
die Überwachung
der Leistung sowohl ein elektrischer wie auch ein mechanischer Parameter
verwendet werden kann. Während
die Überwachung
der elektrischen Leistung bspw. durch Bestimmen der abgegebenen Wirkleistung
erfolgen kann, so kann die mechanische Leistung in besonders einfacher
Weise über
die Windgeschwindigkeit abgeschätzt
werden. Windgeschwindigkeitsmesser sind in der Regel für jede Windenergieanlage
verfügbar,
und auch wenn ihre Genauigkeit nicht besonders hoch ist, so genügt dies doch
für eine
Klassifizierung, ob eine Stark- oder eine Schwachwindsituation vorliegt.
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Vorzugsweise
erfolgt das Bestimmen, ob ein Schwachwindbetrieb (oder ein Starkwindbetrieb)
vorliegt, unter Berücksichtigung
einer Mindestzeitdauer. Diese kann bspw. anhand einer bestimmten
Anzahl von Sekunden oder Minuten vorgegeben sein. Dadurch wird erreicht,
dass ein konstantes und auf Beständigkeit
abzielendes Schaltverhalten erreicht wird. Hektisches und verschleißförderndes
hin und her Schalten zwischen den Betriebszuständen kann damit vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann
vorgesehen sein, eine Schalthysterese in Bezug auf die Leistung
einzuführen.
Erst wenn die Leistung unterhalb einer unteren Grenzleistung sinkt, wird
in den Schwachwindbetrieb umgeschaltet; umgekehrt wird erst dann
wieder zurück
in den Starkwindbetrieb geschaltet, wenn die Leistung über einer oberen
Grenzleistung liegt, die größer als
die untere Grenzleistung ist.
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Das
Umschalten zwischen den Betriebsarten muss zwangsläufig während des
Betriebs der Windenergieanlage, also unter Leistung erfolgen. Um
unerwünschte
Sprünge
und Regelungsschwingungen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, beim
Umschalten zwischen den Betriebsarten die Drehzahl konstant zu halten.
Damit werden störende
Einflüsse
durch Windschwankungen auf den Umschaltvorgang eliminiert. Der eigentliche
Vorteil des Konstanthaltens der Drehzahl liegt aber darin, dass
die von dem Generator abgegebene elektrische Leistung bis auf Null
reduziert werden kann, um so den Umschalter lastfrei zu betätigen. Verschleiß und Störungen durch
Spannungssprünge
sind damit eliminiert oder auf ein Mindestmaß reduziert. Zweckmäßigerweise
geschieht dies dadurch, dass zum Einleiten des Umschaltens dem Pitch-Regler
des Windrotors eine feste Drehzahl als Sollwert vorgegeben wird.
Durch Verändern
des Einstellwinkels der Blätter
hält der
Pitch-Regler die Drehzahl auch dann, wenn die elektrische Leistung
des Generators und damit die Bremsleistung auf Null absinkt. Am
Ende des Umschaltens wird die Drehzahl wieder freigegeben, und von
einer Betriebssteuerung der Windenergieanlage gemäß dem üblichen
Betrieb kontrolliert. Als Sollwert kann die aktuelle Drehzahl vor
dem Umschalten oder eine gewünschte
nach dem Umschalten verwendet werden. Der Sollwert kann auch so
gewählt
sein, dass beim Umschalten ein möglichst
geringer Drehmomentsprung entsteht. Die mechanischen Komponenten
im Antriebsstrang, insbesondere ein Getriebe, sind dadurch geschont.
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Im Übrigen wird
auf die vorstehend gegebene Erläuterung
zu der erfindungsgemäßen Windenergieanlage
verwiesen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert, in
der vorteilhafte Ausführungsbeispiele
dargestellt sind. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine Übersichts-Schaltungsdarstellung
für die
Windenergieanlage gemäß 1;
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3 einen
Kennlinienausschnitt zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
für den
Betrieb der Windenergieanlage gemäß 1;
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4 eine
schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
und
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5 einen
Ablaufplan für
das Verfahren gemäß 3.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
für eine erfindungsgemäße Windenergieanlage
schematisch dargestellt. Die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete
Windenergieanlage umfasst eine auf einem Turm 10 drehbar
angeordnete Gondel 2. An ihrer Stirnseite ist ein Windrotor 3 drehbar
angeordnet. Er treibt über
eine (nicht dargestellte) Antriebswelle einen Generator 4 an,
der als doppelt gespeister Asynchrongenerator ausgeführt ist.
Außer diesem
ist in der Gondel 2 ein Umrichter 5, eine Steuerung 6 sowie
eine Zusatzsteuereinrichtung 7 und eine Windmesseinrichtung 57 angeordnet.
Zur Drehzahlregelung des Windrotors 3 ist ein Pitch-Regler 35 vorgesehen.
Die von dem Generator 4 in der Gondel 2 erzeugte
elektrische Leistung wird über
zwei Verbindungen (es handelt sich hierbei um dreiphasige Drehstromleitungen,
wie durch den kleinen schrägstehenden
Querstrich symbolisiert ist) einem Transformator 9 am Fußpunkt des
Turms 10 zugeführt.
Der Transformator 9 ist wiederum an ein Mittelspannungsnetz 99 angeschlossen.
Bis auf die Zusatzsteuereinrichtung 7 ist der Aufbau und
die Funktionsweise der Windenergieanlage 1 insoweit konventionell,
und braucht daher nicht näher
beschrieben zu werden. Zu beachten ist, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit
einphasige Ersatzschaltbilder den Figuren zu Grunde gelegt sind.
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Das
elektrische System der Windenergieanlage 1 ist in 2 näher dargestellt.
Der als doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgeführte Generator 4 weist
einen Stator und einen Rotor 42 auf. Letzterer ist über die
Antriebswelle mit dem Windrotor 3 verbunden, und wird von
dieser im Betrieb in Drehung versetzt. Durch die Drehbewegung wird
Elektrizität
in den Wicklungen des Stators 41 und Rotors 42 erzeugt
. Der Stator 41 ist direkt über einen als Umschalter 8 ausgeführten Zusatzschalter
mit dem Transformator 9 verbunden. Der Rotor 42 ist über den
Umrichter 5 mit dem Transformator 9 verbunden. Der
Umrichter 5 weist einen maschinenseitigen Wechselrichter 52,
einen netzseitigen Wechselrichter 54 und einen diese beiden
verbindenden Zwischenkreis 53 auf. Der Transformator 9 ist
als Dreiwicklungstransformator ausgeführt. Er weist zwei Primärwicklungen
auf, nämlich
eine erste Primärwicklung 91 und
eine zweite Primärwicklung 92.
Ferner weist er eine Sekundärwicklung 90 auf.
Das Wicklungsverhältnis
ist so gewählt,
dass die Sekundärwicklung 90 an
das Mittelspannungsnetz 99 angeschlossen ist. Dabei sind
aufgrund des gewählten
Wicklungsverhältnisses
die erste Primärwicklung
auf eine Spannung von 950 Volt und die zweite Primärwicklung
auf eine Spannung von 690 Volt ausgelegt. Der Rotor 42 ist über den
Umrichter 5 an die zweite Primärwicklung 92 angeschlossen.
Der Stator 41 ist, wie bereits gesagt, über den Umschalter 8 mit
dem Transformator 9 verbunden. Dabei ist der Stator 41 mit
einem Eingangsanschluss 80 des Umschalters 8 verbunden.
Dieser ist je nach Schalterstellung mit einem ersten Ausgangsanschluss 81 verbunden,
an den die erste Primärwicklung 91 angeschlossen
ist. In der anderen Ausgangsstellung ist der Eingangsanschluss 80 mit
dem zweiten Ausgangsanschluss 82 verbunden, an den die
zweite Primärwicklung 92 angeschlossen
ist. Dies bedeutet, dass je nach Schalterstellung des Umschalters 8 der
Stator 41 entweder mit der ersten Primärwicklung 91 oder
mit der zweiten Primärwicklung 92 verbunden
ist.
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Zur
Betätigung
des Umschalters 8 über
einen Steueranschluss ist die Zusatzsteuereinrichtung 7 vorgesehen.
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Die
Zusatzsteuereinrichtung 7 dient dazu, mittels an ihrem
Eingang anliegender Signale ein Steuersignal für den Umschalter 8 zu
bestimmen. Es sind zwei Eingänge
für die
Zusatzsteuereinrichtung 7 vorgesehen. An den einen ist
die Windeinmesseinrichtung 57 angeschlossen, und an den
anderen Eingang ist ein Signal für
die von der Windenergieanlage 1 erzeugte elektrische Leistung
P angeschlossen. Dieses Signal kann direkt gemessen sein mittels (nicht
dargestellter) Messeinrichtungen, oder es kann der Steuerung 5 entnommen
sein, wo in der Regel ohnehin ein solches Signal vorliegt. Zur Signalverarbeitung
weist die Zusatzsteuereinrichtung 7 ein Leistungsmonitormodul 71 und
ein Klassifikationsmodul 72 auf. Das Leistungsmonitormodul 71 ist
dazu ausgebildet, aus den von der Windmesseinrichtung 57 und/oder
dem elektrischen Leistungssignal P stammenden Eingangssignalen einen
Lastgrad μ der Windenergieanlage 1 zu
bestimmen. Der Lastgrad μ ist
dabei ein quantitatives Maß dafür, ob die
Windenergieanlage 1 im Leerlauf, im Teillastbetrieb oder
gar im Volllastbetrieb (entsprechend einem Lastgrad von 100) läuft. Der
Lastgrad μ kann
mit einem physikalischen Parameter, wie bspw. der Windgeschwindigkeit
oder der erzeugten elektrischen Leistung, übereinstimmen oder ein synthetischer
Parameter sein, der aus diesen Eingangsgrößen und/oder anderen generiert
wird. Das Klassifikationsmodul 72 ist dazu ausgebildet,
aus dem von dem Leistungsmonitormodul 71 ermittelten Lastgrad
eine Klassifikation danach vorzunehmen, ob die Windenergieanlage 1 unter
den vorherrschenden Bedingungen in einem Schwachwindbetrieb läuft oder
nicht. Ist dies der Fall, so gibt das Klassifikationsmodul 72 das
Steuersignal an den Umschalter 8, wodurch bewirkt wird,
dass der Umschalter 8 in die gestrichelt dargestellte Stellung umschaltet.
Der Stator 41 ist dann nicht mehr an die erste Primärwicklung 91,
sondern an die zweite Primärwicklung 92 angeschlossen.
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Die
sich ergebenden Kennlinien sind am Beispiel einer 2MW-Anlage in 3 gestrichelt
dargestellt. Über
der Umdrehungszahl des Windrotors 3, die ein Maß für die Windgeschwindigkeit
und damit die Windleistung darstellt, auf der X-Achse ist die abgegebene
elektrische Leistung P auf der Y-Achse abgetragen. Mit einer gestrichelten
Kennlinie ist eine konventionelle Windenergieanlage dargestellt,
die auf einen Betriebsschlupf von maximal 25% ausgelegt ist. Mit
einer gepunkteten Linie ist dargestellt, wie der Betriebsbereich
der konventionellen Windenergieanlage durch Aufrüstung mit einem stärker dimensionierten
Umrichter erweitert werden kann. Der Umrichter der konventionellen
Anlage ist dazu derart groß dimensioniert,
dass der Betriebsschlupf bis zu 40% betragen kann. Man erkennt,
dass der Betriebsbereich der Windenergieanlage damit beträchtlich hin
zu niedrigeren Umdrehungszahlen, also zu schwächeren Windbedingungen erweitert
wird, allerdings um den Preis eines erheblich aufwendigeren Umrichters.
Mit einer ausgezogenen Linie ist nun die Kennlinie dargestellt,
die sich bei einer im Übrigen herkömmlichen
Windenergieanlage (ohne aufwendig verstärkten Umrichter) gemäß der Erfindung
ergibt, wenn der Umschalter 8 betätigt ist. Dann ist die Wicklung
des Stators 41 nicht mehr mit der ersten Primärwicklung 91,
sondern mit der zweiten Primärwicklung 92 verbunden,
befindet sich also auf einem niedrigeren Spannungsniveau. Dadurch
verschiebt sich die Kennlinie ausgehend von dem gestrichelt dargestellten
Fall zu dem mit der durchgezogenen Linie dargestellten Fall. Die
Windenergieanlage kann auch noch bei wesentlich niedrigeren Drehzahlen
des Windrotors 3, und damit auch bei wesentlich schwächeren Bedingungen,
noch elektrische Leistung erzeugen und abgeben. Frischt der Wind
auf, erreicht er also mittlere oder höhere Stärken, kann durch einfaches Zurückschalten
des Umschalters 8 wieder auf die normale (gestrichelt dargestellte)
Kennlinie umgeschaltet werden. Der nutzbare Windstärkebereich,
in dem die Windenergieanlage 1 sinnvoll betrieben werden
kann, wird auf diese Weise dank der Erfindung deutlich nach unten
erweitert. Der dafür
zusätzliche Aufwand
ist minimal. Es wird, anders als im Stand der Technik (mit der gepunkteten
Linie dargestellt) kein aufwendig verstärkter Umrichter 5 benötigt, sondern es
genügt
ein einfacher Umschalter. Ein Dreiwicklungstransformator 9 mit
zwei Primärwicklungen 91, 92 ist üblicherweise
ohnehin vorhanden. Die Erfindung verknüpft damit eine erhebliche Erweiterung des
Betriebsbereichs mit einem Minimum an zusätzlichem Aufwand.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und seine Funktionsweise wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 erläutert. Die
Windenergieanlage 1 wird regulär so betrieben, dass der Stator 41 mit
der ersten Primärwicklung 91 verbunden
ist. Das bedeutet, dass der Stator 41 auf einem höheren Spannungsniveau
von bspw. 950 Volt verglichen mit dem Spannungsniveau des an die
zweite Primärwicklung 92 angeschlossenen
Rotors 42 betrieben wird. Dies ist, wie eingangs gesagt,
der Normalbetrieb der Windenergieanlage und ermöglicht einen Betrieb bei kräftigen und
mittleren Windbedingungen.
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Zu
Beginn (Schritt 100) des Verfahrens wird von dem Leistungsmonitormodul 71 der
Lastgrad μ bestimmt
(Schritt 102) . Nachfolgend wird mittels des Klassifikationsmoduls 72 geprüft, ob gemäß dem Lastgrad
Schwachwindbedingungen herrschen (Schritt 104). Ist dies
nicht der Fall, so erfolgt ein Rücksprung.
Falls aber Schwachwindbedingungen vorliegen, wird ein Zeitglied
T weiter gezählt
(Schritt 106) . Es wird dann abgewartet, ob die Schwachwindbedingungen über eine
bestimmte, einstellbare Zeitdauer Tmin anhalten
(Schritt 108). Falls dies der Fall ist, so erfolgt eine
Fortsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
falls dies nicht so nicht so erfolgt ein Rücksprung. Liegen also über einen
bestimmten, längeren
Zeitraum Schwachwindbedingungen vor, so wird gemäß der Erfindung die Windenergieanlage 1 mittels
des Umschalters 8 so umgeschaltet, dass der Stator 41 mit
der zweiten Primärwicklung 92 verbunden
ist. Mit anderen Worten, die Windenergieanlage wird umgeschaltet
auf die in 3 durchgezogen dargestellte
Kennlinie. Dieser Bereich in den Kennlinien ist in 3 durch
die Markierung X herausgehoben. Das Umschalten wird bewirkt durch
das Ausgangssignal der Zusatzsteuereinrichtung 7. Es ist, wie
dargestellt, an dem Umschalter 8 angelegt. Die Zusatzsteuereinrichtung 7 gibt
aber noch ein zweites, überlagertes
Ausgangssignal an eine Drehzahlsteuereinrichtung 73 aus
(Schritt 110). Sie ist dazu ausgebildet, mittels des Pitch-Reglers 35 die
Drehzahl des Windrotors 3 während des Vorgangs des Umschaltens
konstant zu halten. Dies dient dazu, eine Überhöhung der Drehzahl bei Entlastung
aufgrund kurzzeitiger Unterbrechung des vom Stator 41 führenden Stromkreises
zu vermeiden. Der Drehzahlregler 73 ist dazu ausgebildet,
ein Stellsignal zum Konstanthalten der Drehzahl an einen Drehzahlregler 35 des
Rotors auszugeben. In einem nächsten
Schritt wird an dem anderen Ausgang der Steuereinrichtung 7 das Schaltsignal
an den Umschalter 8 ausgegeben (Schritt 112).
Die Schalterstellung wechselt dabei von dem ersten Ausgangsanschluss 81 auf
den zweiten Ausgangsanschluss 82. Dadurch ist der Stator 41 nicht
mehr mit der ersten Primärwicklung 91,
sondern mit der zweiten Primärwicklung 92 verbunden.
Zuerst öffnet
sich dabei der Kontakt zu dem ersten Ausgangsanschluss 81.
Dies wird in Schritt 114 überwacht. Ist der Umschalter 8 wie
in dem dargestellten Beispiel als einfacher Umschalter ausgelegt,
so braucht nichts weiter veranlasst zu werden. Falls aber zwei gesonderte
Schalteinheiten verwendet werden, so ist nach dem Öffnen des
Kontakts zu der ersten Primärwicklung 91 der
zweite Kontakt zu betätigen,
um die Verbindung mit der zweiten Primärwicklung 92 herzustellen.
Dies geschieht ggf. in Schritt 116. Es wird dann nachfolgend überwacht,
dass der neue Kontakt zu der zweiten Primärwicklung 92 hergestellt
ist (Schritt 118). Damit ist der Statorstromkreis wiederhergestellt
und der Stator 41 ist mit dem Transformator 9 verbunden.
Die Drehzahl braucht nicht länger
festgehalten zu werden, und es wird ein Signal zur Freigabe der
Drehzahlsteuerung an das Drehzahlmodul 73 ausgegeben (Schritt 120).
Damit erreicht der dargestellte Umschaltvorgang sein Ende (199).
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Die
Erfindung eignet sich auch zur Verwendung in einem Windpark. In 4 ist
ein solcher Windpark anhand eines Beispiels mit drei Windenergieanlagen 1, 1', 1'' dargestellt. Jede der Windenergieanlagen
weist einen eigenen Umschalter 8, 8' bzw. 8'' auf,
die mit dem gemeinsamen Transformator 9 verbunden sind.
Sie können
zentral von einer Parksteuerung (nicht dargestellt) betätigt sein,
oder sie können
dezentral von den einzelnen Steuerungen der Windenergie anlagen 1, 1', 1'' betätigt sein. Im letzteren Fall
besteht die Möglichkeit,
dass die einzelnen Windenergieanlagen 1, 1', 1'' unabhängig voneinander geschaltet
werden. So sei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Windstärke bei
den beiden vorderen Anlagen 1, 1' hoch. Sie können in ihrem Normalbereich
betrieben werden. Der Umschalter 8, 8' steht daher
auf dem ersten Ausgangsanschluss 81, wobei der Stator mit
der ersten Primärwicklung 91 des
Transformators 9 verbunden ist. Hingegen sei an der hinteren
Windenergieanlage 1'' der Wind nur
schwach. Daher ist durch die Steuerung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Windenergieanlage in die Betriebsart für Schwachwind umgeschaltet.
Dazu ist der Umschalter 8'' betätigt, so dass
der Stator des Generators dieser Windenergieanlage 1'' mit der zweiten Primärwicklung 92 verbunden
ist. Man erkennt, dass die Erfindung individuell bei den einzelnen
Windenergieanlagen des Windparks ausgeführt sein kann, ohne dass aber
jede Windenergieanlage einen eigenen Dreiwicklungstransformator
benötigt.
Jede der Windenergieanlagen kann damit mit der Kennlinie betrieben
werden (siehe 3) , die bei den lokal bei der
jeweiligen Windenergieanlage herrschenden Windverhältnissen
das beste Ergebnis liefert.