DE102008045938A1

DE102008045938A1 - Verfahren zum Steuern der Einspeisung elektrischer Leistung einer Windenergieanlage in ein Wechselstromnetz

Info

Publication number: DE102008045938A1
Application number: DE102008045938A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bartsch
Original assignee: Powerwind GmbH
Current assignee: Powerwind GmbH
Priority date: 2008-09-04
Filing date: 2008-09-04
Publication date: 2010-03-25

Abstract

Bei einem Verfahren zum Steuern der Einspeisung elektrischer Leistung einer Windenergieanlage in ein damit verbundenes elektrisches Wechselstromnetz wird zur Meidung von Überspannungen und/oder irregulären Leistungsflüssen nach Behebung einer Netzstörung erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei der Rückkehr der Netzspannung in ihren Sollbereich der Strom mindestens so lange auf Null gestellt wird, bis sein Phasenwinkel in Bezug auf die zurückgekehrte Netzspannung auf einen für den Normalbetrieb vorgesehenen Wert eingestellt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern der Einspeisung elektrischer Leistung einer Windenergieanlage in ein damit verbundenes elektrisches Wechselstromnetz, bei dem der Phasenwinkel des von der Windenergieanlage eingespeisten Stroms in Bezug auf den Phasenwinkel der Netzspannung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, bei dem die Windenergieanlage Wirkleistung in das Netz einspeist.
Bei derartigen Verfahren bleibt die Windenergieanlage auch während netzbetriebsbedingter Änderungen trotz eines damit verbundenen Einbruchs der Netzspannung und/oder einer Änderung ihres Phasenwinkels am Netz. Dadurch wird erreicht, daß die Windenergieanlage möglichst unterbrechungsfrei Wirkleistung in das Netz einspeisen kann. Wird dagegen entsprechend älterer Praxis beim Auftreten derartiger Änderungen die Windenergieanlage vorübergehend galvanisch vom Netz getrennt, ist eine längere Zeitspanne erforderlich, um die Windenergieanlage wieder hochzufahren, so daß sie dem Netz Wirkleistung zur Verfügung stellen kann. Die sofortige Bereitschaft zur Wiedereinspeisung von Wirkleistung bei sich ändernden Netzbetriebsbedingungen ist um so wichtiger, je größer der Anteil der Windenergie an der Gesamtleistung des Netzes ist.
Insbesondere kann sich in schwachen Netzen der Phasenwinkel der Netzspannung sprunghaft ändern. Netzstörungen aufgrund von kurzschlußbedingten Netzfehlern führen beispielsweise zu Einbrüchen der Netzspannung.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art ("Wind farms with power plant properties", E. Quitmann, S. Wachtel, M. Bartsch, WWEC 2007 (Mar del Plata/Argentinien), 6. Konferenz und Messe der World Wind Energy Association (WWEA), 02.10.–04.10.2007) wird beim Auftreten einer Netzstörung der Phasenwinkel des von der Windenergieanlage eingespeisten Stroms derart eingestellt, daß letzterer der dann vorliegenden Netzspannung um nahezu 90° vorauseilt. Dadurch wird nahezu keine Wirkleistung in das gestörte Netz, sondern im wesentlichen nur Blindleistung eingespeist. Letztere bewirkt eine Stützung der Netzspannung an der Einspeisestelle.
Durch die Behebung der Netzstörung kann sich die Impedanz des Netzes ändern. Diese Impedanzänderung kann beispielsweise darauf beruhen, daß für die Behebung der Netzstörung Leitungen oder ganze Netzbereiche abgeschaltet oder umgeschaltet werden. Eine derartige Impedanzänderung zieht eine entsprechende Änderung des Phasenwinkels zwischen der zurückgekehrten Netzspannung und dem unverändert eingespeisten Strom nach sich. Hierdurch kann es zu Überspannungen auf dem Netz oder sogar dazu kommen, daß die Windenergieanlage aus dem Netz Wirkleistung bezieht. Die Gefahr von Überspannungen ist insbesondere bei einer über die Zeitdauer der Netzstörung hinaus anhaltenden hohen Blindstromeinspeisung gegeben. Insbesondere ist dies in schwachen oder sehr verteilten Netzen der Fall.
Diese Probleme bestehen auch bei einem weiteren bekannten Verfahren ( WO 2005/031941 A1 ). Dort wird beim Auftreten einer Netzstörung die Leistungseinspeisung gegenüber der vor der Netzstörung vorliegenden Leistungseinspeisung verringert und nach Beseitigung der Netzstörung kurzzeitig die Leistungseinspeisung gegenüber der vor der Netzstörung vorliegenden Leistungseinspeisung deutlich erhöht.
Auch ein anderes bekanntes Verfahren ( WO 99/33165 ) trägt diesen Problemen nicht Rechnung. Es sieht lediglich vor, die Windenergieanlage ohne Leistungsabgabe zu betreiben, wenn die Netzspannung einen vorgegebenen Sollbereich verläßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das Überspannungen auf dem Netz oder irreguläre Leistungsübertragungen zwischen dem Netz und der daran angeschlossenen Windenergieanlage vermeidet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer netzbedingten Änderung des Phasenwinkels der Netzspannung der Strom mindestens so lange auf Null gestellt wird, bis sein Phasenwinkel in Bezug auf die veränderte Netzspannung auf den vorgegebenen Wert nachgestellt ist.
Während der erfindungsgemäßen vorübergehenden Nullstellung des eingespeisten Stroms kann dessen Phasenwinkel in Bezug auf den veränderten Phasenwinkel der Netzspannung auf den für den ungestörten Betrieb des Netzes geeigneten Phasenwinkel nachgestellt werden. Wenn sodann der Strom mit dem solchermaßen eingestellten Phasenwinkel wieder eingespeist wird, kann es nicht zu Überspannungen oder irregulären Leistungsflüssen kommen.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Phasenwinkel beim Auftreten einer Netzstörung zum Zwecke der Spannungsstützung am Einspeisepunkt auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Windenergieanlage Blindleistung in das Netz einspeist, insbesondere auf einen Wert nahe unterhalb +90°, bei dem der eingespeiste Strom der durch die Netzstörung eingebrochenen Netzspannung um nahezu 90° vorauseilt. Dann könnte schon bei einer geringfügigen Impedanzabweichung des entstörten Netzes der Fall eintreten, daß der Phasenwinkel zwischen dem Strom und der zurückgekehrten Netzspannung größer als 90° wird und das Netz Wirkleistung in die Windenergieanlage einspeist.
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1 ein Zeigerdiagramm von Netzspannung und eingespeistem Strom im ungestörten Betrieb,
2 ein 1 entsprechendes Zeigerdiagramm beim Auftreten einer Netzstörung,
3 ein 2 entsprechendes Zeigerdiagramm bei Umschaltung auf Spannungsstützung,
4 ein 3 entsprechendes Zeigerdiagramm bei Behebung der Netzstörung, und
5 ein 4 entsprechendes Zeigerdiagramm des ungestörten Netzbetriebs nach Behebung der Netzstörung.
1 zeigt den Fall, daß eine Windenergieanlage ein elektrisches Wechselstromnetz speist, das sich in seinem ungestörten Zustand befindet. In dem dargestellten Beispiel ist der Phasenwinkel zwischen der an der Einspeisestelle vorliegenden Netzspannung U_WEA und dem von der Windenergieanlage eingespeisten Strom I_WEA auf Null eingestellt. Diese Einstellung des Phasenwinkels erfolgt beispielsweise durch einen gesteuerten Stromrichter der Windenergieanlage. Infolge des auf den Wert Null eingestellten Phasenwinkels speist die Windenergieanlage reine Wirkleistung in das Netz ein. Die Netzspannung U_WEA befindet sich in einem für den ungestörten Betrieb des Netzes vorgegebenen Sollbereich.
2 zeigt den Fall, daß auf einer von der Einspeisestelle entfernten Stelle des Netzes ein Kurzschluß auftritt. Wegen der dadurch geänderten Impedanzverhältnisse bricht an der Einspeisestelle die Netzspannung U_WEA ein, beispielsweise auf 50% der ungestörten Netzspannung. Außerdem ändert sich die Phase der Netzspannung, beispielsweise um 30°. Der Stromrichter der Windenergieanlage behält jedoch zunächst die Phase des eingespeisten Stromes unverändert bei. Jedoch steigt der Strom aufgrund der Impedanzänderung bis auf seinen maximalen Wert an.
In 3 hat der Stromrichter der Windenergieanlage den Einbruch der Netzspannung und damit die Netzstörung erkannt. Darauf ansprechend stellt er die Phase des eingespeisten Stroms I_WEA derart ein, daß er der Netzspannung U_WEA um nahezu 90° vorauseilt. Dadurch wird im wesentlichen nur Blindleistung in das Netz eingespeist. Diese Blindleistungseinspeisung bewirkt eine Stützung der Netzspannung an der Einspeisestelle. Letzteres wird von Netzanschlußregeln verschiedener Netzbetreiber gefordert.
In 4 ist die Netzstörung behoben und die Netzspannung U_WEA dadurch in ihren Sollbereich zurückgekehrt. Infolge der veränderten Impedanz des entstörten Netzes weicht der Phasenwinkel der zurückgekehrten Netzspannung U_WEA geringfügig von dem Phasenwinkel der vor dem Eintritt der Netzstörung vorhandenen Netzspannung (1) ab. Eine Beibehaltung des während der Netzstörung gemäß 3 eingestellten Phasenwinkels des Stroms I_WEA würde sodann bedeuten, daß der Strom der Spannung um mehr als 90° vorauseilt. In diesem Fall würde das Netz in die Windenergieanlage Wirkleistung einspeisen.
Daher wird die Stromeinspeisung auf Null gestellt, sobald die Netzspannung zurückgekehrt ist. Diese Nullstellung wird mindestens so lange eingehalten, bis der Stromrichter der Windenergieanlage den Phasenwinkel des einzuspeisenden Stroms in Bezug auf die zurückgekehrte Netzspannung auf den für den ungestörten Betrieb vorgegebenen Wert, in dem dargestellten Beispiel den Wert Null, zurückgestellt hat. Sodann fährt der Stromrichter die Stromeinspeisung gemäß einer Rampe bis zu dem dem ungestörten Betrieb entsprechenden Wert hoch. Dadurch wird nach der Behebung der Netzstörung der in 5 dargestellte stabile Endzustand herbeigeführt.
Die Dauer der Rampe kann beispielsweise zwischen 200 ms und 10 s liegen. Die Dauer der Nullstellung des einzuspeisenden Stroms nach Erkennung der Rückkehr der Netzspannung in ihren vorgegebenen Sollbereich ist zweckmäßigerweise nicht kürzer als eine Periode des Wechselstromnetzes, d. h. 20 ms für eine Netzfrequenz von 50 Hz.
Aus der vorstehenden Beschreibung, die das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert, ist ersichtlich, daß es insbesondere zum Durchfahren netzbedingter Kurzschlüsse (Fault-Ride-Through) geeignet ist. Die hierfür erforderliche Steuerung des Einspeisestroms kann durch einen gesteuerten Vollumrichter und Chopper der Windenergieanlage erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/031941 A1 [0006]
- WO 99/33165 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”Wind farms with power plant properties”, E. Quitmann, S. Wachtel, M. Bartsch, WWEC 2007 (Mar del Plata/Argentinien), 6. Konferenz und Messe der World Wind Energy Association (WWEA), 02.10.–04.10.2007 [0004]

Claims

Verfahren zum Steuern der Einspeisung elektrischer Leistung einer Windenergieanlage in ein damit verbundenes elektrisches Wechselstromnetz, bei dem der Phasenwinkel des von der Windenergieanlage eingespeisten Stroms in Bezug auf den Phasenwinkel der Netzspannung auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, bei dem die Windenergieanlage Wirkleistung in das Netz einspeist, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer netzbedingten Änderung des Phasenwinkels der Netzspannung der Strom mindestens so lange auf Null gestellt wird, bis sein Phasenwinkel in Bezug auf die veränderte Netzspannung auf den vorgegebenen Wert nachgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Nullstellung des Stroms mindestens eine Periode der Netzfrequenz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeisung des Stroms nach der Nullstellung rampenförmig hochgefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Phasenwinkels des Stroms durch einen Stromrichter der Windenergieanlage erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Netzspannung im ungestörten Betrieb des Wechselstromnetzwerks innerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs gehalten wird, den sie beim Auftreten einer Netzstörung verläßt und in den sie nach der Behebung der Netzstörung zurückkehrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellung des Stroms bei der Rückkehr der Netzspannung in ihren Sollbereich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten der Netzstörung der Phasenwinkel auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die Windenergieanlage Blindleistung in das Netz einspeist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der beim Auftreten der Netzstörung eingestellte Phasenwinkel bei oder wenig unterhalb +90° liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzstörung durch eine Überwachung der Netzspannung erfaßt wird.