DE102009059284A1

DE102009059284A1 - Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102009059284A1
Application number: DE102009059284A
Authority: DE
Inventors: Huibertus Cornelis Peels; Mikael Oreg. Jakobsson
Original assignee: 2B Energy B V
Current assignee: 2B Energy B V
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-30
Also published as: DE202009018444U1

Abstract

Windkraftanlage mit einem Maschinenträger (80), einem um eine Rotorachse (79) drehbar am Maschinenträger (80) gelagerten und durch Wind (83) zu einer Drehbewegung um die Rotorachse (79) antreibbaren Rotor (78), der eine Rotornabe (77) und wenigstens ein Rotorblatt (75) umfasst, welches sich in Richtung einer quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse (79) verlaufenden Blattachse (81) erstreckt, wobei der Anstellwinkel (β) des Rotorblatts (75) derart eingestellt oder einstellbar ist, dass die von dem Rotor (78) abgebbare mechanische Leistung durch einen Strömungsabriss des Winds (83) an dem Rotorblatt (75) begrenzbar ist, einem mit der Rotornabe (77) mechanisch gekoppelten und durch den Rotor (78) mechanisch antreibbaren elektrischen Generator (50), mittels welchem elektrische Energie erzeugbar und in ein elektrisches Netz (1) einspeisbar ist, und einer mit dem Generator (50) gekoppelten Generatorsteuerung (70), mittels welcher der Generator (50) elektrisch steuerbar ist, wobei der Generator (50) als Asynchronmaschine mit einem Statorwicklungssatz (51) und mit einem relativ zu diesem drehbaren Läuferwicklungssatz (52) ausgebildet ist, und wobei ein erster der Wicklungssätze (51) mit dem Netz (1) und ein zweiter der Wicklungssätze (52) mit einer durch die Generatorsteuerung (70) steuerbaren Generatorschalteinrichtung (53; 98) elektrisch gekoppelt ist, mittels welcher wenigstens ein durch den zweiten Wicklungssatz (52) fließender elektrischer Strom (I) steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Maschinenträger, einem um eine Rotorachse drehbar am Maschinenträger gelagerten und durch Wind zu einer Drehbewegung um die Rotorachse antreibbaren Rotor, der eine Rotornabe und wenigstens ein Rotorblatt umfasst, welches sich in Richtung einer quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse verlaufenden Blattachse erstreckt, wobei der Anstellwinkel des Rotorblatts derart eingestellt oder einstellbar ist, dass die von dem Rotor abgebbare mechanische Leistung durch einen Strömungsabriss des Winds an dem Rotorblatt begrenzbar ist, einem mit der Rotornabe mechanisch gekoppelten und durch den Rotor mechanisch antreibbaren elektrischen Generator, mittels welchem elektrische Energie erzeugbar und in ein elektrisches Netz einspeisbar ist, und einer mit dem Generator gekoppelten Generatorsteuerung, mittels welcher der Generator elektrisch steuerbar ist.
Bei herkömmlichen Windkraftanlagen wird versucht, einen möglichst großen variablen Geschwindigkeitsbereich zu erhalten, z. B. +/–30% der synchronen Generatordrehzahl, um eine optimale Leistungsausbeute zu erzielen. In Standard-Umgebungen an Land beträgt die durchschnittliche Windgeschwindigkeit z. B. 6 m/s oder weniger, sodass durch diesen Geschwindigkeitsbereich des Rotors ein optimales aerodynamisches Verhaltens über den gesamten Betriebsbereich der Windkraftanlage erzielbar ist. Insbesondere kann das Verhältnis aus Rotorumfangsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit der Rotorblattspitzen) und Windgeschwindigkeit, welches auch als Schnelllaufzahl oder Lambda-Wert bezeichnet wird, über einen großen Betriebsbereich, von z. B. 3 m/s bis 4 m/s (Anlaufwindgeschwindigkeit) bis zur Nennwindgeschwindigkeit von etwa 13 m/s, optimiert werden. Soll eine Windkraftanlage oder ein Windpark an das allgemeine Stromversorgungsnetz angeschlossen werden, sind nationale Netzanforderungen zu erfüllen, die sich auch bei einem Windpark bis auf die Ebene der einzelnen Windkraftanlagen erstrecken können. Dies führt zu komplexer und komplizierter Hardware, die teuer, fehleranfällig (wegen ihrer Komplexität) und schwer zugänglich ist (die Hardware ist über die Windkraftanlage verteilt angeordnet, die Hardware ist in großer Höhe im Maschinenhaus angeordnet) sowie im Fehlerfalle zeitaufwändige Reparaturen erfordert. Fehler in der Hardware können somit zu einem relativ langen Ausfall der Windkraftanlage führen und hohe finanzielle Verluste verursachen, was insbesondere in einer Offshore-Umgebung unakzeptabel ist. Folglich besteht in einer Offshore-Umgebung oder in einer anderen schwer zugänglichen Umgebung der Wunsch, die einzelne Windkraftanlage so kompliziert wie nötig und so einfach wie möglich aufzubauen, um deren Betriebssicherheit zu erhöhen.
Bestehende Multi-Megawatt-Anlagen weisen in der Regel eine Einrichtung zum Variieren der Antriebsstranggeschwindigkeit auf, wobei zur Rotorleistungssteuerung eine Pitch-Regelung eingesetzt wird (die Geschwindigkeitsvariabilität beträgt typischerweise ca. +/–30%), sodass bestimmte nationale Netzanforderungen durch die Windkraftanlage erfüllbar sind. Oftmals umfassen die Netzanforderungen auch Bestimmungen für den Fall eines vorübergehenden Einbruchs der Netzspannung. Die zum Durchfahren eines solchen Spannungseinbruchs erforderliche und üblicherweise aufwändige Hardware ist im Wesentlichen im Frequenzumrichter und in dessen Steuerungssystem angeordnet. Die große Komplexität der Subsysteme solcher Windkraftanlagen führt zu erheblichen Hardware-Anforderungen. Ferner sind Wartung und Reparatur komplizierter Windkraftanlagen zeitaufwändig und kostenintensiv. Je weiter die Variabilität der Generatorgeschwindigkeit reduziert wird, desto höhere Blattwinkelverstellgeschwindigkeiten sind erforderlich, um die Generatorgeschwindigkeit innerhalb des zulässigen Bereichs halten zu können. Dies führt zu einer extrem hohen Belastung der Blattwinkelverstellantriebe, zu einem „nervösen” Windkraftanlagenverhalten und zu hohen dynamischen Lasten. In den vergangenen zehn Jahren wurden Versuche unternommen, die Komplexität von Windkraftanlagen zu reduzieren, um deren Betriebssicherheit zu erhöhen und die Energiekosten zu senken. Die Reduzierung der Variabilität der Geschwindigkeit einer Windkraftanlage bis auf den Bereich ihres natürlichen Generatorschlupfes führte jedoch zu extrem starken Drehmomentschwankungen im Getriebe. Als Folge daraus blieb die Vereinfachung des elektrischen Antriebssystems für lange Zeit außer Acht.
Aus der DE 103 27 344 A1 ist eine Windenergieanlage mit einem mehrere Rotorblätter umfassenden Rotor bekannt, der direkt oder indirekt mit einem Generator zur elektrischen Leistungserzeugung gekoppelt ist, wobei über ein Blattverstellsystem die Einstellung des Winkels der Rotorblätter zu dem Rotor geregelt werden kann. Die Regelung der Winkelstellung der Rotorblätter erfolgt über eine Steuerungseinrichtung, die auf das Blattverstellsystem zugreift. Über die Regelung der Winkelstellung ist unter anderem eine optimale Leistungserzeugung der Windenergieanlage einstellbar. Die Regelung der über den Generator erzeugten Leistung in eine den Netzanforderungen des Betreibers eines elektrischen Netzes entsprechende Leistung erfolgt über einen doppeltgespeisten Asynchrongenerator.
Bei derartigen Windkraftanlagen tritt das Problem auf, dass bei einem raschen Anstieg der Windgeschwindigkeit das Blattverstellsystem die Rotorblätter nicht schnell genug aus dem Wind drehen kann, sodass die Gefahr einer mechanischen Überlastung von Komponenten der Windkraftanlage droht. Derartige Komponenten, wie z. B. ein zwischen Rotor und Generator geschaltetes Getriebe, werden daher überdimensioniert, was mit erhöhten Kosten verbunden ist. Ein weiterer Aspekt ist, dass eine mit dem raschen Anstieg der Windgeschwindigkeit verbundene rasche Drehzahlerhöhung des Generators zu einer elektrischen Überlastung des mit dem Läufer des Generators gekoppelten Umrichters führen kann, sodass dieser überdimensioniert wird, was die Kosten ebenfalls erhöht.
Aus der DE 100 44 262 A1 ist ein Offshore-Windenergiepark bestehend aus getriebelosen Windkraftanlagen mit aktiver Dämpfung der Schwingungen im Antriebsstrang durch Blattwinkelverstellung mit Anbindung über eine Drehstromsammelschiene bekannt, die über einen Transformator und einen Gleichrichter ein Gleichstrom-Seekabel speist, das über einen Wechselrichter und einen Transformator mit einem Mittelspannungsnetz verbunden ist. Infolge der variablen Frequenz und Spannung des Offshore-Inselnetzes laufen alle Windkraftanlagen mit variabler, aber gleicher Drehzahl. Die Windkraftanlagen umfassen jeweils einen direkt mit der Drehstromsammelschiene gekoppelten Synchrongenerator, der ohne Zwischenschaltung eines Getriebes von dem jeweiligen Windrad angetrieben wird, wobei Eigenschwingungsfrequenzen durch eine active-Stall-Regelung aktiv bedämpft werden können.
Synchrongeneratoren, die für eine getriebelose Kopplung mit dem Rotor geeignet sind, wie z. B. Ringgeneratoren, bauen groß und sind schwer, sodass die Windkraftanlage entsprechend stabil ausgelegt sein muss, was mit erhöhten Kosten verbunden ist. Ferner ist der Generator selbst vergleichsweise teuer.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine windparktaugliche Windkraftanlage der eingangs genannten Art möglichst leicht und kostengünstig realisieren zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Windkraftanlage nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben.
Die erfindungsgemäße Windkraftanlage weist einen Maschinenträger, einen um eine Rotorachse drehbar am Maschinenträger gelagerten und durch Wind zu einer Drehbewegung um die Rotorachse antreibbaren Rotor, der eine Rotornabe und wenigstens ein Rotorblatt umfasst, welches sich in Richtung einer quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse verlaufenden Blattachse erstreckt, wobei der Anstellwinkel des Rotorblatts derart eingestellt oder einstellbar ist, dass die von dem Rotor abgebbare mechanische Leistung durch einen Strömungsabriss des Winds an dem Rotorblatt begrenzbar ist, einen mit der Rotornabe mechanisch gekoppelten und durch den Rotor mechanisch antreibbaren elektrischen Generator, mittels welchem elektrische Energie erzeugbar und in ein elektrisches Netz einspeisbar ist, und eine mit dem Generator gekoppelte Generatorsteuerung auf, mittels welcher der Generator elektrisch steuerbar ist, wobei der Generator als Asynchronmaschine mit einem Statorwicklungssatz und mit einem relativ zu diesem drehbaren Läuferwicklungssatz ausgebildet ist, und wobei ein erster der Wicklungssätze mit dem Netz und ein zweiter der Wicklungssätze mit einer durch die Generatorsteuerung steuerbaren Generatorschalteinrichtung elektrisch gekoppelt ist, mittels welcher wenigstens ein durch den zweiten Wicklungssatz fließender elektrischer Strom steuerbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Windkraftanlage ist der Generator als Asynchronmaschine ausgebildet, die gegenüber einer getriebelos antreibbaren Synchronmaschine vergleichbarer Leistung kleiner und leichter ausbildbar sowie kostengünstiger beschaffbar ist. Diese Vorteile sind selbst dann noch vorhanden, wenn zwischen den Rotor und die Asynchronmaschine ein Getriebe geschaltet und dieses hinsichtlich Gewicht und Kosten der Asynchronmaschine zugerechnet wird.
Ferner ist es mittels der Generatorschalteinrichtung möglich, durch Windstöße hervorgerufene, stoßartige Beanspruchungen des Antriebsstrangs durch den Aufbau eines Gegenmoments zu dämpfen. Solche stoßartigen Beanspruchungen des Antriebsstrangs stellen z. B. ein Problem bei einem als Kurzschlussläufer ausgebildeten Generator dar. Der Antriebsstrang, insbesondere ein zwischen den Rotor und den Generator geschaltetes Getriebe, kann somit einfacher, leichter und kostengünstiger ausgebildet werden.
Zwar ist eine Windkraftanlage mit einem als doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgebildeten Generator aus der DE 103 27 344 A1 bekannt, die Erfindung hebt sich aber dadurch ab, dass die Windkraftanlage einen solchen Generator in Kombination mit der Nutzung des Stall-Effekts (Strömungsabriss des Winds am Rotorblatt) kombiniert. Da der Stall-Effekt einen raschen Abbau des antreibenden Teils der Windkraft ermöglicht, können durch Windböen hervorgerufene mechanische und elektrische Belastungen der Windkraftanlage schneller reduziert werden als bei einer Pitch-geregelten Anlage. Dies hat zur Folge, dass die Generatorschalteinrichtung für geringere elektrische Leistungen ausgelegt werden kann, sodass sie kostengünstiger herstellbar ist. Da ferner der Schubanteil der Windkraft beim Strömungsabriss relativ konstant bleibt, sind die mit dem raschen Anstieg der Windgeschwindigkeit verbundenen, stoßartigen mechanischen Belastungen von Komponenten der Windkraftanlage geringer, sodass diese Komponenten für geringere mechanische Belastungen ausgelegt werden können und somit kostengünstiger herstellbar sind. Insbesondere ist ein zwischen den Rotor und den Generator geschaltetes Getriebe einfacher, leichter und kostengünstiger ausbildbar. Zu diesen mechanischen Belastungen ist anzumerken, dass der durch den Schub verursachte Wechsellastanteil bei Stall-geregelten Windkraftanlagen in der Regel deutlich kleiner als bei Pitch-geregelten Windkraftanlagen ist. Amplitude und Häufigkeit solcher Wechselbeanspruchungen beeinflussen aber in nicht unerheblicher Weise die Lebensdauer von mehreren Komponenten der Windkraftanlage, sodass durch die Erfindung die Lebensdauer solcher Komponenten erhöht werden kann. Eine Windkraftanlage mit einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator in Kombination mit der Nutzung des Stall-Effekts ist dem Anmelder aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
Die Asynchronmaschine ist bevorzugt als Schleifringläufer ausgebildet. Insbesondere ist das Netz ein elektrisches Wechselstromnetz, vorzugsweise ein elektrisches Drehstromnetz.
Der Generator weist insbesondere einen den Statorwicklungssatz tragenden Stator und einen den Läuferwicklungssatz tragenden Läufer auf. Vorzugsweise ist der Läufer direkt oder indirekt mit der Rotornabe mechanisch gekoppelt und mittels des Rotors relativ zu dem Stator drehbar. Der Stator ist vorzugsweise am Maschinenträger befestigt. Der erste Wicklungssatz ist insbesondere durch den Statorwicklungssatz gebildet. Der zweite Wicklungssatz ist insbesondere durch den Läuferwicklungssatz gebildet.
Der erste Wicklungssatz ist bevorzugt wechselstrommäßig oder direkt, das heißt insbesondere ohne Zwischenschaltung eines Stromrichters und/oder Umrichters, mit dem Netz gekoppelt. Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist der erste Wicklungssatz aber unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Transformatoren mit dem Netz gekoppelt. Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung ist der erste Wicklungssatz ohne Zwischenschaltung eines Transformators mit dem Netz gekoppelt.
Der Rotor kann direkt mit dem Generator verbunden sein. Bevorzugt ist der Rotor aber unter Zwischenschaltung eines Getriebes mit dem Generator gekoppelt. Durch diese Maßnahme ist die relativ langsame Rotordrehzahl in eine für den Generator geeignetere, höhere Drehzahl umsetzbar. Da wegen der Nutzung des Stall-Effekts mechanische Stoßbelastungen im Antriebsstrang vorzugsweise reduzierbar sind, kann das Getriebe insbesondere einfacher und somit kostengünstiger als bei einer herkömmlichen Windkraftanlage mit einem als Schleifringläufer ausgebildeten Asynchrongenerator mit Pitch-Regelung sein.
Durch die Nutzung des Stall-Effekts kann die Geschwindigkeitsvariabilität des Generators reduziert werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung liegt die Geschwindigkeitsvariabilität des Generators zwischen 25–35% der Generatornenngeschwindigkeit. Bevorzugt ist die Geschwindigkeitsvariabilität des Generators kleiner als 30% der Generatornenngeschwindigkeit. Insbesondere liegt die Geschwindigkeitsvariabilität des Generators zwischen 5–15% der Generatornenngeschwindigkeit.
Derart geringe Geschwindigkeitsvariabilitäten sind ausreichend, um das Getriebe vor zu großen Drehmomentschwankungen zu schützen. Ferner ist in einer Offshore-Umgebung eine größere Geschwindigkeitsvariabilität weniger wichtig, da die durchschnittliche Windgeschwindigkeit bei 9 m/s und darüber liegt. Auch ist der Bedarf nach einer über einen großen Bereich optimalen Schnelllaufzahl (Lambda-Wert) geringer. Eine damit möglicherweise verbundene Verringerung des aerodynamischen Wirkungsgrads wird durch die gewonnene Vereinfachung und gesteigerte Betriebssicherheit der Windkraftanlage mehr als aufgewogen.
Der Blattwinkel des Rotorblatts kann fest eingestellt sein, sodass das Auftreten eines Strömungsabrisses maßgeblich von den Windbedingungen beeinflusst wird. Dieses Prinzip wird auch als „passive-Stall” bezeichnet. Bevorzugt ist das Rotorblatt aber um seine Blattachse drehbar an der Rotornabe gelagert, wobei zwischen die Rotornabe und das Rotorblatt ein mittels einer Blattwinkelsteuerung steuerbarer Blattwinkelverstellantrieb geschaltet ist, mittels welchem das Rotorblatt um seine Blattachse drehbar ist. Der Anstellwinkel des Rotorblatts ist somit mittels der Blattwinkelsteuerung derart einstellbar, das der Strömungsabriss herbeiführbar ist. Eine derart aktive Herbeiführung des Strömungsabrisses wird auch als „active-Stall” oder „assisted-Stall” bezeichnet. Die Blattwinkelsteuerung bildet insbesondere eine Regelung für den Blattwinkel und/oder Anstellwinkel des Rotorblatts. Da durch die active-Stall-Regelung mit relativ kleinen Blattwinkeländerungen eine vergleichsweise große Änderung der durch den Wind in den Rotor eingebrachten aerodynamischen Leistung erzielbar ist, ist diese Regelung sehr schnell, sodass stoßartige, mechanische Belastungen des Antriebsstrangs der Windkraftanlage sowie impulsartige, elektrische Belastungen der Generatorschalteinrichtung vermieden oder zumindest reduziert werden können.
Zwar kann mit der passive-Stall-Variante ein einfacherer Aufbau der Windkraftanlage erzielt werden, da kein Blattwinkelverstellantrieb erforderlich ist, falls der Strömungsabriss allerdings nicht korrekt einsetzen sollte, besteht das Risiko, dass die Rotordrehzahl den gewünschten Wert übersteigt. Eine active-Stall-Regelung entschärft dieses Risiko, da der Strömungsabriss durch Verstellen der Rotorblattposition aktiv herbeiführbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Windkraftanlage eine mit dem Blattwinkelverstellantrieb gekoppelte Steuereinheit, mittels welcher den Betriebszustand der Windkraftanlage, insbesondere des Rotors und des Generators, kennzeichnende Zustandsgrößen erfassbar und auswertbar sind, sodass eine drohende Überlastung der Windkraftanlage oder von Komponenten derselben erkennbar ist, wobei der Blattwinkelverstellantrieb mittels der Steuereinheit derart ansteuerbar ist, dass ein Strömungsabriss vor Eintritt der Überlastung herbeiführbar ist. Bevorzugt ist die Steuereinheit mit Sensoren gekoppelt, mittels welchen die Zustandsgrößen messbar sind. Die Steuereinheit ist vorzugsweise ein Hauptführungsrechner der Windkraftanlage oder von diesem gebildet.
Diese Weiterbildung der Erfindung liefert eine Möglichkeit zur praktischen Realisierung der active-Stall-Regelung. Demnach werden die den Betriebszustand der Windkraftanlage, insbesondere des Rotors und des Generators, kennzeichnenden Zustandsgrößen gemessen und von der Steuereinheit ausgewertet. In Abhängigkeit von den gemessenen Größen und/oder von deren Auswertung ist mittels der Steuereinheit, insbesondere rechnerisch, abschätzbar, ob eine Überlastung der Windkraftanlage oder der Komponenten zu erwarten ist oder nicht. Ist eine Überlastung zu erwarten (drohende Überlastung), so wird der Anstellwinkel verkleinert und ein Strömungsabriss vorzeitig herbeigeführt. Der Begriff „vorzeitig” ist hier derart zu verstehen, dass der Strömungsabriss bereits vor dem tatsächlichen Eintreten der erwarteten Überlastung herbeigeführt wird (Vorhalten). Die Auswertung umfasst insbesondere den Vergleich der Zustandsgrößen und/oder von davon abgeleiteten Werten mit Referenzwerten. Vorzugsweise umfasst die Auswertung auch die Abschätzung eines zu erwartenden Strömungsabrissverhaltens. Die Überlastung kann eine mechanische und/oder eine elektrische Überlastung sein. Die Komponenten umfassen bevorzugt das Getriebe und/oder die Generatorschalteinrichtung. Die Zustandsgrößen umfassen z. B. eine oder mehrere der nachfolgend aufgeführten Größen: die Windgeschwindigkeit, die Rotordrehzahl, die Rotorbeschleunigung, die vom Generator abgegebene elektrische Leistung und/oder der vom Generator abgegebene elektrische Strom. Hierbei ist anzumerken, dass die erfasste Windgeschwindigkeit oftmals von geringerem praktischem Wert ist, da diese in der Regel nur an einem oder höchstens zwei Orten innerhalb des Rotordurchmessers gemessen wird. Somit lässt sich die aerodynamische Leistung häufig nur relativ unpräzise aus der gemessenen Windgeschwindigkeit ermitteln und/oder vorhersagen. Anders ist dies bei der elektrischen Leistung und bei dem elektrischen Strom, da diese beiden Größen insbesondere ein direktes und genau erfassbares Maß für die aerodynamische Leistung bilden. Hierbei können auch deren Änderungsgeschwindigkeiten (vereinfacht/angenähert: die Gradienten dP/dt bzw. dI/dt, mit P = elektrische Leistung, I = elektrischer Strom, t = Zeit) ermittelt werden und Kriterien für die proaktive Blattverstellung bilden.
Vor und nach dem Eintreten des Strömungsabrisses ist die Windkraftanlage gut beherrschbar. Problematisch kann aber der Moment des Eintretens des Strömungsabrisses sein, insbesondere wenn in diesem Zeitpunkt bereits eine Überlastung der Windkraftanlage vorliegt. Durch das Vorhalten ist es möglich, dieses Problem zu umgehen, da der Strömungsabriss durch Verkleinern des Anstellwinkels bereits vor Eintritt der Überlastung sicher herbeigeführt wird.
Der Blattwinkel ist insbesondere durch einen Winkel definiert, der zwischen einer Profilsehne des Rotorblatts und der Rotorachse eingeschlossen ist. Vorzugsweise entspricht der Blattwinkel diesem Winkel oder einer Summe aus diesem Winkel und einer Konstanten, mittels welcher ein Nullpunkt für den Blattwinkel festlegbar ist. Bei konstanter Windrichtung bestimmt der Blattwinkel den Anströmwinkel.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Anstellwinkel und/oder Blattwinkel des Rotorblatts mittels der Blattwinkelsteuerung zusätzlich derart einstellbar, dass die von dem Rotor abgegebene mechanische Leistung ohne Strömungsabriss des Winds an dem Rotorblatt regelbar ist. Eine derartige Regelung, die auch als „Pitch-Regelung” bezeichnet wird, ist bei normalen Änderungen der Windrichtung und/oder der Windgeschwindigkeit vorteilhaft. Diese normalen Änderungen sind im Vergleich zu Windböen langsam, die eine rasche Änderung der Windgeschwindigkeit und/oder der Windrichtung herbeiführen können. Die Erfindung ermöglicht somit, insbesondere wahlweise, sowohl eine active-Stall Regelung als auch eine Pitch-Regelung.
Gemäß einer ersten Alternative der Erfindung ist der Generator als doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgebildet, wobei die Schalteinrichtung wenigstens einen Umrichter umfasst. Der zweite Wicklungssatz ist insbesondere unter Zwischenschaltung des Umrichters mit dem Netz gekoppelt. Bevorzugt ist mittels des Umrichters elektrische Leistung sowohl von dem zweiten Wicklungssatz in das Netz als auch aus dem Netz in den zweiten Wicklungssatz einspeisbar. Der Umrichter kann unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Transformatoren mit dem Netz gekoppelt sein. Das Betriebsverhalten des Generators ist insbesondere mittels des Umrichters steuerbar. Der Umrichter ist vorzugsweise mittels der Generatorsteuerung steuerbar.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Umrichter für eine Leistung ausgelegt, die 25–35% der Generatornennleistung beträgt. Bevorzugt ist der Umrichter für eine Leistung ausgelegt, die kleiner als 30% der Generatornennleistung beträgt. Insbesondere ist der Umrichter für eine Leistung ausgelegt, die zwischen 5–15% der Generatornennleistung beträgt.
Gemäß einer zweiten Alternative der Erfindung umfasst die Schalteinrichtung steuerbare Schalter und Lastwiderstände, die unter Zwischenschaltung der Schalter mit dem zweiten Wicklungssatz elektrisch verbindbar sind. Durch Betätigen der Schalter kann dem zweiten Wicklungssatz elektrische Leistung entnommen und in Wärme umgewandelt werden. Insbesondere ist durch ein gepulstes Betätigen der Schalter das Betriebsverhalten des Generators steuerbar. Die Schalter sind vorzugsweise mittels der Generatorsteuerung betätigbar.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Windkraftanlagen und mit einem oder dem elektrischen Netz, welches hier auch als lokales Netz bezeichnet wird und insbesondere als Wechselstromnetz ausgebildet ist. Bevorzugt ist das lokale Netz mittels einer Gleichstromübertragungsanordnung mit einem externen elektrischen Wechselstromnetz elektrisch gekoppelt. Die oder jede der Windkraftanlagen ist, insbesondere mittels ihres Generators, mit dem lokalen Netz derart elektrisch gekoppelt, dass sie elektrische Energie in das lokale Netz einspeisen kann. Ferner kann die oder jede der Windkraftanlagen gemäß allen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Windkraftanlage beschriebenen Ausgestaltungen weitergebildet sein. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die oder jede der Windkraftanlagen mit ihrem ersten Wicklungssatz mit dem lokalen Netz unmittelbar oder mittelbar elektrisch, vorzugsweise wechselstrommäßig gekoppelt.
Mittels der Gleichstromübertragungsanordnung ist insbesondere eine Gleichstromübertragung, vorzugsweise eine Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) zwischen dem lokalen Netz und dem externen Wechselstromnetz möglich. Das externe Wechselstromnetz ist insbesondere ein öffentliches Stromversorgungsnetz.
Die Gleichstromübertragungsanordnung umfasst bevorzugt einen mit dem lokalen Netz gekoppelten lokalen Stromrichter, einen mit dem externen Wechselstromnetz gekoppelten externen Stromrichter und einen die beiden Stromrichter miteinander verbindenden Zwischenkreis. Der Zwischenkreis ist insbesondere ein Gleichstromzwischenkreis. Vorzugsweise kann jeder der Stromrichter bidirektional arbeiten, sodass sowohl aus dem lokalen Netz elektrische Energie in das externe Wechselstromnetz einspeisbar ist als auch aus dem externen Wechselstromnetz elektrische Energie in das lokale Netz einspeisbar ist. Durch die Verwendung der Gleichstromübertragungsanordnung kann die Frequenz im lokalen Netz von der Frequenz im externen Wechselstromnetz abweichen.
Zwischen den beiden Stromrichtern kann eine große räumliche Entfernung von z. B. mehreren km liegen. Bevorzugt umfasst der Zwischenkreis wenigstens eine elektrische Leitung oder ist durch diese gebildet. Insbesondere umfasst der Zwischenkreis wenigstens ein Gleichstromkabel oder ist durch dieses gebildet. Die Verwendung eines Gleichstromkabels ist bei größeren Entfernungen deutlich kostengünstiger als die Verwendung eines Wechselstromkabels. Insbesondere gilt dies für Entfernungen ab ca. 50 km.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind das lokale Netz (Inselnetz) und die Windkraftanlage oder die Windkraftanlagen auf See und das externe Wechselstromnetz an Land angeordnet. Bevorzugt verläuft das Gleichstromkabel zumindest teilweise in der See, sodass das Gleichstromkabel als Seekabel ausgebildet ist.
Mittels des externen Stromrichters ist bevorzugt die Frequenz und/oder die Phase des von diesem in das externe Wechselstromnetz eingespeisten Stroms steuerbar, insbesondere regelbar. Somit können Netzanforderungen an die Frequenz und/oder Phase des externen Wechselstromnetzes erfüllt werden. Ferner ist es möglich, andere Netzanforderungen an die Einspeisung elektrischer Energie in das externe Wechselstromnetz durch den externen Stromrichter zu erfüllen. Der externe Stromrichter ist bevorzugt mit einer externen Steuerung gekoppelt und durch diese steuerbar.
Die Frequenz des lokalen Netzes ist insbesondere steuerbar. Bevorzugt erfolgt die Steuerung der Frequenz des lokalen Netzes mittels des lokalen Stromrichters. Somit ist es möglich, die Frequenz des lokalen Netzes an die aktuellen Windbedingungen anzupassen, sodass die von der wenigstens einen Windkraftanlage in das lokale Netz eingespeiste elektrische Leistung optimierbar ist. Der lokale Stromrichter ist bevorzugt mit einer lokalen Steuerung gekoppelt und durch diese steuerbar. Die lokale Steuerung ist vorzugsweise mit der externen Steuerung gekoppelt, sodass zwischen diesen beiden Steuerungen Informationen austauschbar sind.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weisen der oder die Stromrichter (externer und/oder interner Stromrichter) jeweils wenigstens einen Strang von in Reihe geschalteten aktiven Schaltelementen auf. Bevorzugt weisen der oder die Stromrichter aber jeweils mehrere Stränge von in Reihe geschalteten aktiven Schaltelementen auf, wobei die Stränge des jeweiligen Stromrichters vorzugsweise parallel zueinander geschaltet sind. Hierdurch ist nicht nur eine Belastungsverringerung der Schaltelemete, sondern auch eine Redundanz erzielbar, sodass bei einem Ausfall von einem oder mehreren der Schaltelemente die Funktionsfähigkeit des oder der Stromrichter zumindest eingeschränkt aufrechterhalten werden kann, sofern nicht zu viele Schaltelemente gleichzeitig ausgefallen sind. Die Schaltelemente umfassen bevorzugt IGBTs oder sind jeweils als IGBT ausgebildet.
Da die erfindungsgemäße Windkraftanlage bevorzugt einen einfacheren Umrichter als herkömmliche Windkraftanlagen aufweist, ist dessen Ausfallwahrscheinlichkeit gegenüber dem Umrichter einer herkömmlichen Windkraftanlage reduziert. Durch die Kombination einer oder mehrerer erfindungsgemäßer Windkraftanlagen mit einer Gleichstromübertragungsanordnung, welche den oder die obengenannten Stromrichter mit Redundanz aufweist, ist die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie deutlich reduzierbar.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie mehrere, jeweils als Wechselstromnetz ausgebildete lokale Subnetze, die mit dem lokalen Netz elektrisch gekoppelt sind, vorzugsweise unter Zwischenschaltung wenigstens eines Transformators. Die Subnetze können jeweils unter Zwischenschaltung eines separaten Transformators mit dem lokalen Netz gekoppelt sein. Bevorzugt umfasst der wenigstens eine Transformator aber einen mit dem lokalen Netz elektrisch gekoppelten Sekundärwicklungssatz und mehrere Primärwicklungssätze, die jeweils mit einem der lokalen Subnetze elektrisch gekoppelt sind. Hierdurch können Kosten eingespart werden. Bevorzugt ist die oder jede der Windkraftanlagen mit ihrem ersten Wicklungssatz mit einem der Subnetze elektrisch, vorzugsweise wechselstrommäßig gekoppelt.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie bildet insbesondere einen Windpark, vorzugsweise einen Offshore-Windpark.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Leistungssteuerung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie durch Variieren der Frequenz des lokalen Netzes. Die Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie kann dabei gemäß allen in diesem Zusammenhang beschriebenen Ausgestaltungen weitergebildet sein. Ferner werden Netzanforderungen des externen Wechselstromnetzes bevorzugt durch den externen Stromrichter erfüllt.
Durch die Erfindung ist es möglich, einen zuverlässigen und einfach zu wartenden Offshore-Windpark zu realisieren. Die gesamte elektrische Hardware ist so komplex wie nötig und so einfach wie möglich aufgebaut, sodass eine lange mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF = Mean Time Between Failures) einzelner Windkraftanlagen erzielbar ist. Auf der Ebene der einzelnen Windkraftanlage ist die Variabilität der Geschwindigkeit des Rotors durch die Nutzung des Stall-Effektes auf einen minimalen Bereich reduzierbar, der zum Beherrschen von Leistungsgradienten erforderlich ist, die von Windböen, von der Steuerung des Getriebedrehmoments und von Schwingungsdämpfungen des Antriebsstranges hervorgerufen werden können. Diese minimale Variabilität der Geschwindigkeit kann entweder mit einer passive-Stall-Regelung oder mit einer active-Stall-Regelung realisiert werden. Eine passive-Stall-Regelung oder eine active-Stall-Regelung ermöglichen eine deutlich schnellere Regelung der Rotorleistung im Vergleich zu einer Pitch-Regelung. Bei Nutzung des passive-Stall-Effektes (feste Rotorblattposition bezüglich der Rotornabe) setzt der Strömungsabriss zwangsläufig automatisch ein, wenn eine bestimmte Windgeschwindigkeit erreicht wird. Bei einer active-Stall-Regelung kann das Einsetzen des Strömungsabrisses aktiv gesteuert bzw. eingestellt werden, sodass auf Änderungen der Umgebungsbedingungen reagiert und das Verhalten der Windkraftanlage entsprechend angepasst werden kann. Beispielsweise können Änderungen der Luftdichte durch Änderungen des Anstellwinkels berücksichtigt werden. Die Drehgeschwindigkeit des Rotorblatts um seine Blattachse kann bei einer active-Stall-Regelung im Vergleich zu einer Pitch-Regelung deutlich herabgesetzt werden. Ferner sind die erforderlichen Änderungen des Blattwinkels bei einer active-Stall-Regelung geringer als bei einer Pitch-Regelung. Auch ist nur eine begrenzte oder sogar keine Steuerung des Leistungsfaktors erforderlich, da keine extern vorgegebenen Netzanforderungen auf der Ebene der Windkraftanlage erfüllt werden müssen, wenn diese in das lokale Netz geschaltet ist, welches mit dem externen Wechselstromnetz mittels HGÜ gekoppelt ist. Ferner ist es nicht erforderlich, zusätzliche Hardware, Software und/oder eine Steuerung zur Überbrückung eines vorübergehenden Spannungseinbruchs (LVRT = Low Voltage Ride Through) vorzusehen. Hierdurch wird die erfindungsgemäße Anordnung einfacher und robuster.
Durch den Einsatz der HGÜ zwischen dem lokalen Netz und dem externen Wechselstromnetz sind die Übertragungsverluste im Vergleich zu einer Wechselstromkopplung reduzierbar, insbesondere wenn die Entfernung, die durch die HGÜ überbrückt werden muss, größer als ca. 50 km ist. Die HGÜ löst einige Probleme des elektrischen Leistungstransfers (z. B. Reduzierung der Kabelverluste, Reduzierung des erforderlichen aktiven Kabelquerschnitts, es ist keine Blindleistungskompensation aufgrund von Kabelkapazitäten erforderlich), ferner ermöglicht die HGÜ das Einstellen der Frequenz des lokalen Netzes über einen weiten Bereich, sodass die mögliche Leistungsproduktion der Windenergieanlage(n) unter Berücksichtigung der Windgeschwindigkeit optimiert werden kann. Zusätzlich ermöglicht die HGÜ das Erfüllen nationaler Netzanforderungen, wenn das externe Wechselstromnetz diesen unterfällt. Insbesondere können Anforderungen hinsichtlich der Netzstabilisierung, eines vorübergehenden Spannungseinbruchs und/oder einer Blindleistungsregelung erfüllt werden.
Durch die Kombination einer HGÜ (die das langsame Einstellen eines gemeinsamen Geschwindigkeitsbereichs für die Windkraftanlagen steuert, Netzanforderungen erfüllt und/oder eine verlustarme Energieübertragung ermöglicht) mit einer Windkraftanlage, die in elektrischer Hinsicht ein vereinfachtes Antriebssystem mit einer geschwindigkeitsvariablen, doppelt gespeisten Asynchronmaschine (die eine schnelle Geschwindigkeits- und Drehmomentsteuerung ermöglicht) umfasst, kann die gleiche Windparkfunktionalität erzielt werden, wie bei einem Windpark, der mit herkömmlichen Windkraftanlagen ausgestattet ist, die jeweils eine große Windgeschwindigkeitsvariabilität aufweisen und Netzanforderungen erfüllen können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1: eine teilweise Ansicht eines lokalen Netzes eines Windparks, welches über eine Gleichstromübertragungsanordnung mit einem externen Wechselstromnetz gekoppelt ist,
2: eine Ansicht von mehreren Subnetzen des Windparks, die über einen Transformator mit dem lokalen Netz elektrisch gekoppelt sind,
3: eine schematische Ansicht eines als doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgebildeten elektrischen Generators, der mit einem der Subnetze elektrisch gekoppelt ist,
4: eine schematische Ansicht einer Windkraftanlage mit dem Generator nach 3,
5: eine schematische Schnittansicht durch eines der Rotorblätter entlang der aus 4 ersichtlichen Schnittlinie A-A und
6: einen Generator gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Aus 1 ist ein als Wechselstromnetz ausgebildetes lokales Netz 1 eines Windparks ersichtlich, welches über eine Gleichstromübertragungsanordnung 2 mit einem externen Wechselstromnetz 3 gekoppelt ist. Die Gleichstromübertragungsanordnung 2 umfasst auf Seiten des lokalen Netzes 1 einen lokalen Stromrichter 4, der über einen Gleichstromzwischenkreis 5 mit einem externen Stromrichter 6 elektrisch verbunden ist. Die Stromrichter 4 und 6 weisen jeweils einen in den Zwischenkreis 5 geschalteten Kondensator 7 bzw. 8 und einen Wechselstromfilter 9 bzw. 10 auf. Ferner umfasst jeder Stromrichter 4 und 6 mehrere steuerbare Schaltelemente 11 bzw. 12, die zwischen den jeweiligen Kondensator und den jeweiligen Wechselstromfilter geschaltet sind. Die Schaltelemente 11 und 12 sind bevorzugt durch IGBTs gebildet. Jeder der Stromrichter 4 und 6 ist mit einer Steuerung 101 bzw. 102 verbunden, mittels welcher der jeweilige Stromrichter, insbesondere dessen Schaltelemente, steuerbar ist. Die Steuerungen 101 und 102 können bevorzugt über eine Verbindung 103 miteinander kommunizieren.
Das lokale Netz 1 ist über einen Transformator 13 mit dem Stromrichter 4 verbunden. Ferner ist der Stromrichter 6 über einen Transformator 14 mit dem externen Wechselstromnetz 3 verbunden. Mittels der Gleichstromübertragungsanordnung 2 ist elektrische Energie aus dem lokalen Netz 1 in das externe Wechselstromnetz 3 einspeisbar. Ein in dieses eingespeister elektrischer Strom ist mit Ie gekennzeichnet. Es ist aber auch eine umgekehrte Speisung möglich, sodass mittels der Gleichstromübertragungsanordnung 2 aus dem externen Wechselstromnetz 3 elektrische Energie in das lokale Netz 1 einspeisbar ist. Da das lokale Netz 1 im Meer und das externe Wechselstromnetz 3 an Land angeordnet ist, umfasst der Zwischenkreis 5 ein als Seekabel ausgebildetes Gleichstromkabel 21 welches teilweise im Meer verläuft und lediglich schematisch angedeutet ist. Mittels der Gleichstromübertragungsanordnung 2 erfolgt insbesondere eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Der Stromrichter 6 und der Transformator 14 sind über einen Schalter 22 miteinander verbunden, sodass die Gleichstromübertragungsanordnung 2 von dem externen Wechselstromnetz trennbar ist. Ferner ist der Transformator 13 über Schalter 23 und 24 mit dem lokalen Netz 1 verbunden, sodass dieses von der Gleichstromübertragungsanordnung 2 trennbar ist.
Das lokale Netz 1 umfasst einen Knoten oder Sammelleitung 25, an der mehrere Netzmodule 15, 16, 17, 18, 19 und 20 über Schalter 26 und 27 angeschlossen sind. Der modulseitige Anschluss des Schalters 26 ist mit dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnet.
Aus 2 ist das Netzmodul 15 ersichtlich, welches zwei Subnetze 29 und 30 umfasst, die über einen Transformator 31 mit dem Anschluss 28 und somit auch mit dem lokalen Netz 1 verbunden sind. Der Transformator 31 weist einen sekundären Wicklungssatz 32 und zwei primäre Wicklungssätze 33 und 34 auf, wobei der sekundäre Wicklungssatz 32 mit dem Anschluss 28 und somit mit dem lokalen Netz 1, der primäre Wicklungssatz 33 mit dem Subnetz 29 und der primäre Wicklungssatz 34 mit dem Subnetz 30 verbunden sind. Die Subnetze 29 und 30 sind jeweils über Schalter 35 und 36 mit dem Transformator 31 verbunden. Jedes Subnetz 29 und 30 umfasst mehrere Windkraftanlagen 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44 und 45, wobei die Windkraftanlagen 37 bis 40 dem Subnetz 29 und die Windkraftanlagen 41 bis 45 dem Subnetz 30 zugeordnet sind. Die Subnetze 29 und 30 umfassen jeweils einen Knoten oder Sammelleitung 46, an der die Windkraftanlagen über Schalter 47 und 48 angeschlossen und somit mit dem jeweiligen Subnetz verbunden sind. Der windkraftanlagenseitige Anschluss des Schalters 47 ist mit dem Bezugszeichen 49 gekennzeichnet. Die Netzmodule 15, 16, 17, 18, 19 und 20 sind vorzugsweise gleichartig aufgebaut, können sich aber in der Anzahl ihrer Subnetze unterscheiden. Ferner sind die Subnetze vorzugsweise gleichartig aufgebaut, können sich aber in der Anzahl ihrer Windkraftanlagen unterscheiden.
Aus 3 ist ein teilweises elektrisches Blockschaltbild der Windkraftanlage 37 ersichtlich, die einen als Asynchronmaschine ausgebildeten Generator 50 umfasst, dessen Statorwicklungssatz 51 mit dem Anschluss 49 und somit mit dem Subnetz 29 verbunden ist. Der Läuferwicklungssatz 52 des Generators 50 ist unter Zwischenschaltung einer Reihenschaltung aus einer als Umrichter 53 ausgebildeten Generatorschalteinrichtung und einem Transformator 107 mit dem Anschluss 49 und somit mit dem Subnetz 29 verbunden. Der Umrichter 53 umfasst einen generatorseitigen Stromrichter 54 und einen netzseitigen Stromrichter 55, der über einen Gleichstromzwischenkreis 56 mit dem Stromrichter 54 gekoppelt ist. Die Stromrichter 54 und 55 weisen jeweils einen in den Zwischenkreis 56 geschalteten Kondensator 57 bzw. 58, einen Filter 104 bzw. 105 und steuerbare Schaltelemente 59 bzw. 60 auf, die insbesondere durch IGBTs gebildet sind. Die Schaltelemente 59 sind zwischen den Rotorkreisfilter 104 und den Kondensator 57 geschaltet. Ferner sind die Schaltelemente 60 zwischen den Netzfilter 105 und den Kondensator 58 geschaltet.
Der Läuferwicklungssatz 52 ist unter Zwischenschaltung einer Sicherung 61 mit dem Stromrichter 54 verbunden. Ferner ist der Stromrichter 55 unter Zwischenschaltung eines Schalters 62 und einer Sicherung 63 mit dem Transformator 107 verbunden. Die Windkraftanlage 37 umfasst einen Knoten oder Sammelleitung 64, die über Schalter 65 und 66 mit dem Anschluss 49 und somit mit dem Subnetz 29 verbunden ist. Der Statorwicklungssatz 51 ist über einen Schalter 67 mit der Sammelleitung 64 verbunden. Ferner ist der Transformator 107 über Schalter 68 und 69 mit der Sammelleitung 64 verbunden.
Der Stromrichter 53 ist mit einer Generatorsteuerung 70 verbunden und mittels dieser steuerbar, sodass auch der durch den Läuferwicklungssatz 52 fließende Strom I steuerbar ist. Insbesondere sind die Schaltelemente 59 und 60 mittels der Generatorsteuerung 70 steuerbar. Ferner ist der Transformator 107 auf seiner dem Umrichter 53 zugewandten Seite unter Zwischenschaltung eines Transformators 71 mit Stromrichtern 72 und 73 verbunden, mittels welchen Hilfseinrichtungen 74 der Windkraftanlage 37 mit elektrischem Strom versorgt werden können.
Die in den 1 bis 3 dargestellten Schalter und Sicherungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen, sodass die Anzahl der Schalter und Sicherungen variieren kann. Bevorzugt sind im Betriebszustand die in den 1 bis 3 mit Bezugszeichen gekennzeichneten Schalter und Sicherungen geschlossen, sodass sie auch ganz oder teilweise weggelassen und durch elektrische Verbindungsleitungen ersetzt werden könnten. Entsprechendes gilt bevorzugt auch für die in den 1 bis 3 gezeigten Transformatoren.
Aus 4 ist eine schematische Ansicht der Windkraftanlage 37 ersichtlich, die einen zwei Rotorblätter 75 und 76 und eine Rotornabe 77 umfassenden Rotor 78 aufweist, der um eine Rotorachse 79 drehbar an einem Maschinenträger 80 gelagert ist. Die Rotorblätter 75 und 76 sind jeweils um eine Blattachse 81 bzw. 82 drehbar an der Nabe 77 gelagert und erstrecken sich in Richtung der jeweiligen Blattachse von der Nabe 77 weg. Die Blattachsen 81 und 82 verlaufen quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse 79, wobei die Blattwinkel, um welche die Rotorblätter 75 und 76 um ihre Blattachsen 81 und 82 relativ zur Nabe 77 verdreht sind, mit α1 und α2 bezeichnet sind. Die Blattwinkel α1 und α2 bestimmen den Anstellwinkel β (siehe 5) des jeweiligen Rotorblatts in Bezug auf die Richtung des Winds 83, mittels welchem der Rotor 78 zum Ausführen einer Drehbewegung um die Rotorachse 79 angetrieben wird. Zum Drehen der Rotorblätter 75 und 76 um ihre Blattachsen 81 und 82 ist jeweils ein Blattwinkelverstellantrieb 84 bzw. 85 vorgesehen. Die Blattwinkelverstellantriebe 84 und 85 werden jeweils mittels einer Blattwinkelsteuerung 86 bzw. 87 gesteuert. Ferner sind die Blattwinkelsteuerungen 86 und 87 sowie die Generatorsteuerung 70 mit einem Hauptführungsrechner 88 der Windkraftanlage 37 verbunden und von diesem steuerbar. Zwar umfasst die gezeigte, bevorzugte Windkraftanlage 37 lediglich zwei Rotorblätter, es ist aber auch möglich, dass die Windkraftanlage drei oder mehr Rotorblätter aufweist.
Die Rotornabe 77 des Rotors 78 ist mittels einer Rotorwelle 89 mechanisch mit einem Getriebe 90 gekoppelt, dessen schnell drehende Abtriebswelle 91 mechanisch mit dem Generator 50 verbunden ist und diesen antreibt. Der Generator 50 und das Getriebe 90 sind an dem Maschinenträger 80 befestigt, der an einem Turm 92 gelagert ist, der im Meer 93 steht und mittels eines Fundaments 94 am Meeresgrund 95 gesichert ist. Der Turm 92 erstreckt sich von seinem Fundament 94 aus nach oben, wobei der Maschinenträger 80 an den dem Fundament 94 abgewandten Ende des Turms 92 angeordnet ist.
In 4 sind ferner der an Land 106 angeordnete Stromrichter 6, das Gleichstromkabel 21 und der lokale Stromrichter 4 schematisch dargestellt, der über das Netz 1 von der Windkraftanlage 37 elektrisch gespeist wird (auf die Darstellung des Subnetzes wurde in 4 verzichtet).
Aus 5 ist eine schematische Schnittansicht durch das Rotorblatt 75 entlang der Schnittlinie A-A aus 4 ersichtlich, wobei die Profilsehne 96 des Rotorblatts 75 mit der Richtung des Winds 83 den Anstellwinkel β einschließt. Der Anstellwinkel β wird durch den Blattwinkel α1 eingestellt, wobei durch Drehen des Rotorblatts 75 in Richtung des Pfeils 97 der Anstellwinkel β verkleinerbar und somit ein Strömungsabriss des Winds 83 am Rotorblatt 75 herbeiführbar ist.
Aus 6 ist eine schematische Ansicht des Generators 50 mit einer Generatorschalteinrichtung 98 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, wobei die Schalteinrichtung 98 mehrere Schalter 99 und mehrere Widerstände 100 aufweist, die unter Zwischenschaltung der Schalter 99 mit dem Läuferwicklungssatz 52 gekoppelt sind. Die Schalter 99 sind mittels der Generatorsteuerung 70 betätigbar, sodass der Läuferwicklungssatz 52 mit den Widerständen 100 belastbar ist. Durch eine gepulste Betätigung der Schalter 99 ist somit der durch den Läuferwicklungssatz 52 fließende Strom I steuerbar. Die Generatorschalteinrichtung 98 gemäß der zweiten Ausführungsform bildet eine Alternative zu dem Umrichter 53.
Bezugszeichenliste

1: lokales Netz
2: Gleichstromübertragungsanordnung
3: externes Wechselstromnetz
4: lokaler Stromrichter oder Offshore-Stromrichter
5: Gleichstromzwischenkreis
6: externer Stromrichter oder Onshore-Stromrichter
7: Kondensator
8: Kondensator
9: Wechselstromfilter
10: Wechselstromfilter
11: Schaltelemente/IGBTs
12: Schaltelemente/IGBTs
13: Transformator
14: Transformator
15: Netzmodul
16: Netzmodul
17: Netzmodul
18: Netzmodul
19: Netzmodul
20: Netzmodul
21: Gleichstromkabel
22: Schalter
23: Schalter
24: Schalter
25: Knoten/Sammelleitung
26: Schalter
27: Schalter
28: Anschluss
29: Subnetz
30: Subnetz
31: Transformator
32: sekundärer Wicklungssatz
33: primärer Wicklungssatz
34: primärer Wicklungssatz
35: Schalter
36: Schalter
37: Windkraftanlage
38: Windkraftanlage
39: Windkraftanlage
40: Windkraftanlage
41: Windkraftanlage
42: Windkraftanlage
43: Windkraftanlage
44: Windkraftanlage
45: Windkraftanlage
46: Knoten/Sammelleitung
47: Schalter
48: Schalter
49: Anschluss
50: Generator
51: Stator/Statorwicklungssatz
52: Läufer/Läuferwicklungssatz
53: Umrichter
54: Stromrichter
55: Stromrichter
56: Gleichstromzwischenkreis
57: Kondensator
58: Kondensator
59: Schaltelemente/IGBTs
60: Schaltelemente/IGBTs
61: Sicherung
62: Schalter
63: Sicherung
64: Knoten/Sammelleitung
65: Schalter
66: Schalter
67: Schalter
68: Schalter
69: Schalter
70: Generatorsteuerung
71: Transformator
72: Stromrichter
73: Stromrichter
74: Hilfseinrichtungen
75: Rotorblatt
76: Rotorblatt
77: Rotornabe
78: Rotor
79: Rotorachse
80: Maschinenträger
81: Blattachse
82: Blattachse
83: Wind
84: Blattwinkelverstellantrieb
85: Blattwinkelverstellantrieb
86: Blattwinkelsteuerung
87: Blattwinkelsteuerung
88: Hauptführungsrechner
89: Rotorwelle
90: Getriebe
91: Abtriebswelle des Getriebes
92: Turm
93: Meer
94: Fundament
95: Meeresgrund
96: Profilsehne des Rotorblatts
97: Drehrichtung des Rotorblatts
98: Generatorschalteinrichtung
99: Schalter
100: Widerstände
101: Steuerung
102: Steuerung
103: Verbindung zwischen Steuerungen
104: Rotorkreisfilter
105: Netzfilter
106: Land
107: Transformator
α1: Blattwinkel
α2: Blattwinkel
β: Anstellwinkel
I: Strom
Ie: Strom

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

DE 10327344 A1 [0004, 0013]
DE 10044262 A1 [0006]

Claims

Windkraftanlage mit einem Maschinenträger (80), einem um eine Rotorachse (79) drehbar am Maschinenträger (80) gelagerten und durch Wind (83) zu einer Drehbewegung um die Rotorachse (79) antreibbaren Rotor (78), der eine Rotornabe (77) und wenigstens ein Rotorblatt (75) umfasst, welches sich in Richtung einer quer oder im Wesentlichen quer zur Rotorachse (79) verlaufenden Blattachse (81) erstreckt, wobei der Anstellwinkel (β) des Rotorblatts (75) derart eingestellt oder einstellbar ist, dass die von dem Rotor (78) abgebbare mechanische Leistung durch einen Strömungsabriss des Winds (83) an dem Rotorblatt (75) begrenzbar ist, einem mit der Rotornabe (77) mechanisch gekoppelten und durch den Rotor (78) mechanisch antreibbaren elektrischen Generator (50), mittels welchem elektrische Energie erzeugbar und in ein elektrisches Netz (1) einspeisbar ist, und einer mit dem Generator (50) gekoppelten Generatorsteuerung (70), mittels welcher der Generator (50) elektrisch steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (50) als Asynchronmaschine mit einem Statorwicklungssatz (51) und mit einem relativ zu diesem drehbaren Läuferwicklungssatz (52) ausgebildet ist, wobei ein erster der Wicklungssätze (51) mit dem Netz (1) und ein zweiter der Wicklungssätze (52) mit einer durch die Generatorsteuerung (70) steuerbaren Generatorschalteinrichtung (53; 98) elektrisch gekoppelt ist, mittels welcher wenigstens ein durch den zweiten Wicklungssatz (52) fließender elektrischer Strom (I) steuerbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (78) unter Zwischenschaltung eines Getriebes (90) mit dem Generator (50) gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorblatt (75) um seine Blattachse (81) drehbar an der Rotornabe (77) gelagert ist, zwischen die Rotornabe (77) und das Rotorblatt (81) ein mittels einer Blattwinkelsteuerung (86) steuerbarer Blattwinkelverstellantrieb (84) geschaltet ist, mittels welchem das Rotorblatt (75) um seine Blattachse (81) drehbar ist, der Anstellwinkel (β) des Rotorblatts (75) mittels der Blattwinkelsteuerung (86) derart einstellbar ist, dass der Strömungsabriss herbeiführbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine mit dem Blattwinkelverstellantrieb (84) gekoppelte Steuereinheit (88), mittels welcher den Betriebszustand der Windkraftanlage kennzeichnende Zustandsgrößen erfassbar und auswertbar sind, sodass eine drohende Überlastung der Windkraftanlage oder von Komponenten derselben erkennbar ist, wobei der Blattwinkelverstellantrieb (84) mittels der Steuereinheit (88) derart ansteuerbar ist, dass ein Strömungsabriss vor Eintritt der drohenden Überlastung herbeiführbar ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (β) des Rotorblatts (75) mittels der Blattwinkelsteuerung (86) zusätzlich derart einstellbar ist, dass die von dem Rotor (78) abgegebene mechanische Leistung ohne Strömungsabriss des Winds (83) an dem Rotorblatt (75) regelbar ist.
Windkraftanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (50) als doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgebildet ist und die Generatorschalteinrichtung (53) einen Umrichter umfasst, wobei der zweite Wicklungssatz (52) unter Zwischenschaltung des Umrichters mit dem Netz (1) gekoppelt ist.
Windkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatorschalteinrichtung (98) steuerbare Schalter (99) und Lastwiderstände (100) umfasst, die unter Zwischenschaltung der Schalter (99) mit dem zweiten Wicklungssatz (52) elektrisch verbindbar sind.
Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie, mit einer oder mehreren Windkraftanlagen nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein als Wechselstromnetz ausgebildetes lokales Netz (1), in welches mittels der oder jeder der Windkraftanlagen elektrische Energie einspeisbar ist und welches mittels einer Gleichstromübertragungsanordnung (2) mit einem externen elektrischen Wechselstromnetz (3) elektrisch gekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromübertragungsanordnung (2) einen mit dem lokale Netz (1) gekoppelten lokalen Stromrichter (4), einen mit dem externen Wechselstromnetz (3) gekoppelten externen Stromrichter (6) und wenigstens ein die beiden Stromrichter (4, 6) miteinander verbindendes Gleichstromkabel (21) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Netz (1) und die Windkraftanlage (37) oder die Windkraftanlagen auf See (93) und das externe Wechselstromnetz (3) an Land (106) angeordnet sind, wobei das Gleichstromkabel (21) zumindest teilweise in der See (93) verläuft.
Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des externen Stromrichters (6) die Frequenz des von diesem in das externe Wechselstromnetz (3) eingespeisten Stroms (Ie) steuerbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des lokalen Netzes (1) steuerbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch mehrere, jeweils als Wechselstromnetz ausgebildete lokale Subnetze (29, 30), die unter Zwischenschaltung wenigstens eines Transformators (31) mit dem lokalen Netz (1) gekoppelt sind, wobei die oder jede der Windkraftanalgen mit ihrem ersten Wicklungssatz (51) mit einem der Subnetze (29) elektrisch gekoppelt ist.
Verfahren zur Leistungssteuerung einer Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13 durch Variieren der Frequenz des lokalen Netzes.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Netzanforderungen des externen Wechselstromnetzes durch den externen Stromrichter erfüllt werden.