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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung einer Windenergieanlage.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine nach dem Verfahren
arbeitende Windenergieanlage.
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Eine
Windenergieanlage wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrische
Energie um und speist diese in ein Stromnetz ein. Eine Windenergieanlage
umfasst üblicherweise
einen Turm, an dessen oberem Ende ein Kopf mit einem um eine horizontale
Achse drehbaren Rotor angeordnet ist. Die Bewegungsenergie der Windströmung wirkt
hierbei auf die Rotorblätter
und versetzt somit den Rotor in eine Drehbewegung. Der Rotor gibt
die Rotationsenergie an einen Generator weiter, der diese Energie
in einen elektrischen Strom umwandelt.
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Die
von einer herkömmlichen
Windenergieanlage produzierte elektrische Leistung unterliegt charakteristischen
periodischen Schwankungen. Diese Schwankungen werden dadurch verursacht,
dass immer dann, wenn nämlich
ein Rotorblatt der Anlage vor dem Turm durchläuft, es durch den Luftstau
vor dem Turm (luvseitiger Windschatten) für einen Moment deutlich weniger
Energie aufnimmt. Die periodischen Schwankungen der in das Stromnetz
eingespeisten Leistung stellen ein Problem bei der Netzverträglichkeit
der Windenergieanlage dar. Die schwankende Energieaufnahme der Rotorblätter wirkt
sich ferner als mechanische Wechsellast auf die Konstruktion der
Windenergieanlage aus.
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Bei
einer modernen Windenergieanlage im Megawattbereich ist als Generator üblicherweise
ein Synchrongenerator mit einem diesem nachgeschalteten Zwischenkreis-Umrichter
vorgesehen. Den Umrichter ist eine Drehzahlregelung vorgeschaltet,
die die Blattspitzengeschwindigkeit des Rotors auf einen hinsichtlich
des Wirkungsgrades optimalen Wert einstellt. Die Leistung der Windenergieanlage
wird üblicherweise
mit einer akti ven Stallregelung oder einer Pitchregelung – und somit
in beiden Fällen
durch eine veränderliche
Anstellung der Rotorblätter – eingestellt.
Aufgrund ihrer mechanischen Trägheit
ist eine solche aktive Stallregelung oder Pitchregelung nicht in
der Lage, die oben genannten periodischen Schwankungen der Leistungsabgabe
zu kompensieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein diesbezüglich verbessertes
Verfahren zur Ansteuerung einer Windenergieanlage anzugeben. Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine zur Durchführung dieses
Verfahrens besonders geeignete Windkraftanlage anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Danach wird ein Ist-Wert
der Rotor- bzw. Generatordrehzahl erfasst und einem Drehzahlregler
zugeführt,
wobei der Drehzahlregler anhand der Abweichung des Drehzahl-Istwertes
von einem vorgegebenen Drehzahlsollwert einen Momenten-Sollwert
als Eingangsgröße für einen
einem Generator der Windenergieanlage und einem Stromnetz zwischengeschalteten,
momentengeregelten Umrichter erzeugt. Erfindungsgemäß wird dabei
durch eine Filtereinrichtung eine Abweichung des Drehzahl-Istwerts
von dem Drehzahl-Sollwert,
die auf eine (lastabhängige)
Fluktuation im zeitlichen Verlauf des Drehzahl-Istwerts zurückzuführen ist,
reduziert.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass der bei einer üblichen
Windenergieanlage vorgesehene Drehzahlregler mitursächlich ist
für die
schwankende Leistungsabgabe der Windenergieanlage. Der Drehzahlregler
versucht nämlich
bestimmungsgemäß, die Rotordrehzahl
auf einem möglichst
konstanten Wert zu halten. Dabei passt die von der Windenergieanlage
abgegebene elektrische Leistung vergleichsweise starr an die von
dem Rotor aufgenommene mechanische Leistung an, und überträgt somit
die mechanischen Leistungsschwankungen der Windenergieanlage auf
das Stromnetz. An diesem Punkt setzt die Erfindung an. Indem dem
Drehzahlregler die Filtereinrichtung beigeordnet wird, die die Fluktuationen
der Istwert-Sollwert-Differenz
der Drehzahl zumindest teilweise kompensiert, werden Fluktuationen
der tatsächlichen
Rotordrehzahl nicht oder nur in gedämpftem Maße an den Drehzahlregler gegeben.
Auf diese Weise wird erreicht, dass die Drehzahlregelung solche
kurzfristigen Schwankungen der Drehzahl „toleriert", ohne gegenzuregeln. Die Drehzahlregelung
reagiert mit anderen Worten infolge der Filtereinrichtung in gewissem
Sinne elastisch auf Schwankungen des Drehzahl-Istwerts. In entsprechendem
Maße werden
auch Schwankungen der von dem Rotor in den Maschinenstrang der Windenergieanlage
eingespeisten Leistung im Umrichter kompensiert, schlagen also nicht
auf die in das Stromnetz abgegebene Leistung durch.
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Durch
die Filtereinrichtung wird somit die Netzverträglichkeit der Windenergieanlage
wesentlich verbessert. Ferner wird auch die durch den Rotor auf
den Turm der Windenergieanlage ausgeübte mechanische Wechselbelastung
reduziert, was die Statik der Windenergieanlage schont.
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Die
Filtereinrichtung kann grundsätzlich
z. B. in Form eines Tiefpasses oder Bandpasses bzw. Kerbfilters
ausgebildet sein. Als zweckmäßig und
dabei besonders einfach zu realisieren hat sich aber die Verwendung
einer so genannten Statik als Filtereinrichtung herausgestellt,
die dem Drehzahlregler parallelgeschaltet wird. Die Statik wird
dadurch realisiert, dass ein vorgegebener Bruchteil des von dem
Drehzahlregler ausgegebenen Momenten-Sollwerts (mit negativem Vorzeichen)
auf den Eingang des Drehzahl-Reglers rückgekoppelt wird. Durch die
Statik wird so in gewissem Umfang der Drehzahl-Sollwert mit dem
Drehzahl-Istwert mitgeführt.
Es wird mit anderen Worten eine lastabhängige Fluktuation des (effektiven)
Drehzahl-Sollwertes
erzeugt, die der Änderung
des Momenten-Sollwertes entgegenwirkt, und somit der Drehzahlregelung
die erfindungsgemäß beabsichtigte
Elastizität
verleiht.
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Die
Statik lässt
sich besonders einfach und preisgünstig realisieren durch einen
den Drehzahlregler antiparallel geschalteten Multiplizierer.
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Bezüglich der
Windenergieanlage wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
4. Die Windenergieanlage umfasst danach einen windgetriebenen Rotor,
einen mit dem Rotor gekoppelten Generator, einen dem Generator und
einem Stromnetz zwischengeschalteten, momentengeregelten Zwischenkreis-Umrichter
sowie einen Drehzahl-Regler, der anhand eines Istwertes der Generatordrehzahl (nachfolgend
als Drehzahl-Istwert bezeichnet) und eines vorgegebenen Drehzahl-Sollwertes einen
Momenten-Sollwert als Eingangsgröße für den Umrichter
erzeugt. Dem Drehzahlregler ist hierbei eine Filtereinrichtung beigeordnet,
die dazu ausgebildet ist, eine fluktuationsbasierte Abweichung des
Drehzahl-Istwerts von dem Drehzahl-Sollwert zu reduzieren. Diese
Filtereinrichtung ist insbesondere durch die vorstehend beschriebene
Statik gebildet. Der Drehzahl-Regler ist in bevorzugter Ausführung der
Windenergieanlage durch einen 21 (Proportional-Integral)-Regler
gebildet.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in
einem grob schematisch vereinfachten Blockschaltbild eine Windkraftanlage
mit einem Drehzahlregler mit beigeordneter Statik, und
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2 in
detaillierterer Darstellung den Drehzahlregler und die beigeordnete
Statik gemäß 1.
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Einander
entsprechende Teile und Größen sind
in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die
in 1 grob schematisch vereinfacht dargestellte Windenergieanlage 1 umfasst
einen – bevorzugt
dreiblättrigen – Rotor 2,
der am Kopf eines (nicht dargestellten) Turmes um eine horizontale
Achse drehbar gelagert ist. Der Rotor 2 ist antriebsmäßig mit
einem (Synchron-)Generator 3 gekoppelt. Der Generator 3 ist
wiederum ausgangsseitig über
einen (Zwischenkreis-)Umrichter 4 mit einem Stromnetz 5 verbunden.
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Der
Umrichter umfasst einen generatorseitigen Gleichrichter 6 sowie
einen netzseitigen Wechselrichter 7, denen ein (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 8 zwischengeschaltet
ist.
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Im
Betrieb der Windenergieanlage 1 wird der Rotor 2 unter
Wirkung einer Windströmung
in Rotation versetzt und treibt über
die mechanische Kopplung den Generator 3 an. Der Generator 3 setzt
die zugeführte Rotationsenergie
um in ein mit der (Rotor-)Drehzahl n – oder einem ganzzahligen Vielfachen
oder Bruchteil dieser Drehzahl n – wechselnden Generatorstrom
IG. Der Generatorstrom IG wird
durch den Gleichrichter 6 in einen Gleichstrom umgewandelt
und in den Zwischenkreis 8 eingespeist. Der Wechselrichter 7 erzeugt
aus diesem Gleichstrom einen mit einer vorgegebenen Netzfrequenz
fN wechselnden Speisestrom IS und
speist diesen in das Stromnetz 5 ein. Zur Steuerung der
in das Stromnetz 5 einzuspeisenden elektrischen Leistung umfasst
der Umrichter 4 einen Momentenregelkreis 9.
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Der
Momentenregelkreis 9 umfasst einen Stromwandler 10,
einen Umsetzer 11, einem momentenbildenden Stromregler 12 mit
vorgeschaltetem Summationspunkt 13 sowie einen Steuersatz 14.
Der Stromwandler 10 ist dem Generator 3 und dem
Gleichrichter 6 zwischengeschaltet und erfasst den (zeitabhängig wechselnden)
Betrag des Generatorstroms IG als Strom-Istwert
Ii. Der Umsetzer 11 erzeugt aus
dem von dem Stromwandler 10 erfassten Wechselsignal ein
im Wesentlichen zu dem Effektivwert des Strom-Istwerts Ii proportionales Gleichsignal, das nachfolgend
als Momenten-Istwert Mi bezeichnet ist.
Der Umsetzer 11 führt
diesen Momenten-Istwert Mi mit negativem
Vorzeichen dem Summationspunkt 13 zu.
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Im
Summationspunkt 13 wird die Differenz des Momenten-Istwertes
Mi von einem vorgegebenen Momenten-Sollwert
Ms gebildet. Der Summationspunkt 13 führt ein
entsprechendes Differenz- Signal ΔM = Ms – Mi dem Stromregler 12 als Eingangssignal
zu. Der Stromregler 12 ist bevorzugt als PI-Regler ausgebildet
und erzeugt anhand des Differenz-Signals ΔM ein als Steuerwinkel S bezeichnetes
Stellsignal. Nach Maßgabe
des Steuerwinkels S erzeugt der dem Stromregler 12 nachgeschaltete
Steuersatz 14 pulsweitenmodulierte Zündpulse P, mit denen die (nicht
dargestellten) Leistungshalbleiter des Wechselrichters 7 angesteuert
werden.
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Die
Windenergieanlage 1 umfasst weiterhin einen dem Umrichter 4 vorgeschalteten
Drehzahl-Regelkreis 15, mit dem Rotor 2 auf einem
für den
Wirkungsgrad der Windenergieanlage 1 optimalen Betrag der
Rotordrehzahl n gehalten wird. Der Drehzahlregelkreis 15 umfasst
einen mit der Rotorachse gekoppelten Digitaltacho 16, einen
Umsetzer 17 sowie einen Drehzahlregler 18 mit
vorgeschaltetem Summationspunkt 19.
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Der
Tacho 16 misst die tatsächliche
Rotordrehzahl n und erzeugt ein dieser entsprechendes digitales Ausgangssignal
n*. Der Umsetzer 17 wandelt dieses digitale Ausgangssignal
n* in ein als Drehzahl-Istwert ni bezeichnetes
analoges Gleichsignal um und führt
dieses mit negativen Vorzeichen dem Summationspunkt 19 zu.
Im Summationspunkt 19 wird die Differenz des Drehzahl-Istwerts
ni von einem vorgegebenen Drehzahl-Sollwert
ns gebildet. Der Summationspunkt 19 gibt
ein entsprechendes Differenzsignal Δn = ni – ns an den Drehzahlregler 18, der
anhand dieses Differenzsignals Δn
den Momenten-Sollwert Ms als Eingangsgröße für den Umrichter 4 erzeugt.
Der von dem Drehzahlregler 18 ausgegebene Momenten-Sollwert
Ms ist hierzu über einen Eingang 20 des
Umrichters 4 auf den Summationspunkt 13 geführt.
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Der
in
2 näher
dargestellte Drehzahlregler
18 ist als PI-Regler mit integrierter
Statikfunktion ausgebildet. Er umfasst demnach ein durch einen Proportionalfaktor
K parametriertes Proportionalmodul
21 sowie ein nachgeschaltetes,
durch einen Integralfaktor T parametriertes Integralmodul
22.
Die Ausgangssignale der Module
21 und
22 sind
in einem Summa tionspunkt
23 derart zusammengeführt, dass
sich der von der von dem Summationspunkt
23 ausgegebene
Momenten-Sollwert M
s mathematisch aus einem
dem Proportionalmodul
21 zugeführten Eingangssignal e ergibt
durch
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Zur
Bildung der Statikfunktion ist dem Proportionalmodul 21,
dem Integralmodul 22 und den Summationspunkt 23 ein
Multiplizierer 24 antiparallel geschaltet, der den Momenten-Sollwert
Ms, multipliziert mit einem Faktor V (V << 1), mit negativem Vorzeichen auf den
Eingang des Proportionalmoduls 21 rückkoppelt. Das Eingangssignal
e wird dabei in einem Summationspunkt 25 durch Bildung
der Differenz e = Δn – V·Ms gebildet.
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Durch
die Statikfunktion wird der effektive Drehzahl-Sollwert ns – V·Ms in gewissem Umfang mit dem Drehzahl-Istwert
ni mitgeführt. Bei fallender Rotordrehzahl,
und dementsprechend fallender Generatorleistung wird der effektive
Drehzahl-Sollwert ns – V·Ms insbesondere
leicht reduziert. Bei steigender Rotordrehzahl, und dementsprechend
steigender Generatorleistung wird der effektive Drehzahl-Sollwert
ns – V·Ms insbesondere leicht angehoben. Die Windenergieanlage
holt mit dieser Regelungseigenschaft mechanische Rotationsenergie
aus dem den Rotor 2 und den Generator 3 umfassenden
Maschinenstrang, wenn die vom Rotor 2 gelieferte mechanische
Leistung fällt,
und liefert mechanische Rotationsenergie an den Maschinenstrang,
wenn die mechanische Leistung steigt. Mit anderen Worten wird die
Drehzahlregelung derart ausgelegt, dass die starre Kopplung der
vom Rotor erzeugten mechanischen Leistung und der von dem Generator
erzeugten elektrischen Leistung aufgehoben wird, um dämpfend auf
Leistungsänderungen
zu wirken, die von der Windenergieanlage an das Netz abgegeben werden.
Dabei wird das Massenträgheitsmoment
des Maschinenstranges als Energiespeicher genutzt, um die schnellen
Leistungsänderungen des
Rotors 2 beim Durchtritt der Rotorblätter durch den luvseitigen
Windschatten des Turmes zu kompensieren.
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In
zweckmäßiger Dimensionierung
wird der Faktor V des Multiplizierers 24 insbesondere derart
eingestellt, dass bei Nennstromerzeugung durch den Generator der
Drehzahl-Sollwert ns um etwa 1% bis 2% (gegenüber einer
Drehzahlregelung ohne Statik) reduziert wird. Die Drehzahlregelung
bekommt durch die mit der Statik erzielte aktive Schwingungsdämpfung eine
geringe statistische Abweichung, die sich aber unschädlich auf
die Funktion der Windenergieanlage auswirkt.
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Durch
die Statik werden andererseits schnelle Fluktuationen des Differenz-Signals Δn, und damit
Fluktuationen des Drehzahl-Istwertes ni gedämpft. Hierdurch
wird auch der der zeitliche Verlauf des von dem Drehzahlregler 18 auf
den Eingang 20 des Umrichters 4 gegebenen Momenten-Sollwerts
Ms geglättet.
Es werden dabei insbesondere Fluktuationen des Momenten-Sollwerts Ms, die bezüglich der Rotordrehzahl n der
Größenordnung
nach gleich- oder höherfrequent
sind, im zeitlichen Verlauf des Momenten-Sollwerts Ms reduziert.
Dies verbessert – wie
vorstehend beschrieben – entscheidend
die Netzverträglichkeit
der Windenergieanlage 1.
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Die
Leistung der Windenergieanlage 1 wird mit einer aktiven
Stallregelung oder einer Pitchregelung eingestellt. Die Drehzahlregelung
des Rotors 2 wird durch die mittels der Statik erzielte
aktive Schwingungsdämpfung
wesentlich stabiler, weil sie auf kurze und vor allem auf periodische
Laststöße elastisch
antwortet. Die Stallregelung bzw. Pitchregelung wird dadurch in
ihrer Regelstrecke der Leistungsübertragung
vom Rotor 5 bis zur Einspeisung in das Stromnetz 5 deutlich
von einer – bei
Drehzahlregelung ohne Statik vorhandenen – Störgröße entlastet.
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Anstelle
des Digital-Tachos 16 kann in alternativer Ausführung der
Windenergieanlage 1 auch ein Analog-Tacho vorgesehen sein.
In diesem Fall entfällt
der Umsetzer 17. Anstelle einer Analogregelung kann auch eine
digitale Regelung eingesetzt werden, deren Funktionalität in Form
einer Software implementiert ist.
