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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umrichten eines von einem Generatorsystem einer Windenergieanlage erzeugten elektrischen Stromes in einen ein elektrisches Versorgungsnetz speisenden Strom, bei dem das Generatorsystem den Strom auf mindestens zwei voneinander getrennten, je einen Teilstrom führenden Stromflusswegen abgibt, und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnung.
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Windenergieanlagen weisen regelmäßig ein Generatorsystem zur Umwandlung der mechanischen Energie einer Rotorwelle in elektrische Energie auf, das in Abhängigkeit von der Größe der Windenergieanlage, den zu investierenden Kosten und dem zu erreichenden Wirkungsgrad einen Synchrongenerator oder einen Asynchrongenerator aufweisen kann. Da das Generatorsystem bei Windenergieanlagen aufgrund des sich häufig ändernden Windaufkommens an eine Leistungsquelle mit stark schwankender mechanischer Leistung angeschlossen ist, ist besonders darauf zu achten, dass der erzeugte Strom vor Einspeisung in das Versorgungsnetz in Phasenlage und Frequenz an die Netzspannung angepasst ist. Insbesondere bei Verwendung eines Synchrongenerators, mit dem auch bei schwankender Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle ein optimaler Ertrag an elektrischer Leistung möglich ist, aber auch bei Verwendung eines drehzahlvariablen Asynchrongenerators wie etwa eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators werden zu diesem Zweck üblicherweise ein oder mehrere Umrichter verwendet, in denen diese Synchronisierung mit der Netzspannung stattfindet. Der Generator ist in diesem Fall indirekt an das Versorgungsnetz gekoppelt. Vor Einspeisung in das Versorgungsnetz durchläuft der umgerichtete elektrische Strom üblicherweise eine Transformatoreinheit, in der eine Transformation auf Mittelspannung vorgenommen wird.
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Die Umrichter können jeweils als Vollumrichter ausgebildet sein und einen generatorseitigen Gleichrichter, einen ggf. direkt aus dem Versorgungsnetz gespeisten Zwischenkreis und einen netzseitigen Wechselrichter aufweisen, wobei sowohl Gleichrichter als auch Wechselrichter Halbleiter-Schaltelemente wie etwa MOSFETS oder Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) aufweisen können.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Generatorsysteme weisen mehrere elektrisch voneinander getrennte Stromflusswege auf, in denen jeweils ein Teilstrom des Generatorsystems generiert wird. Diese Stromflusswege können bspw. als zueinander winkelversetzt angeordnete Wicklungssysteme ausgeführt sein, wobei in jedem Wicklungssystem ein dreiphasiger Drehstrom erzeugt wird, der jeweils in einem dem jeweiligen Wicklungssystem zugeordneten Umrichter auf Netzfrequenz umgerichtet wird. Von jedem Umrichter ist dann jeweils nur ein Teilstrom umzurichten und ein einzelner Umrichter wird damit weniger stark belastet. Klein dimensionierte Umrichter können einfacher transportiert, schneller ausgetauscht und günstiger hergestellt werden als ein einziger großer Umrichter. Ferner werden bei einem Defekt oder einer Störung eines Wicklungssystems und/oder eines Umrichters von den übrigen Wicklungssystemen noch immer Teilströme geliefert und der mit einem Defekt oder einer Störung verbundene Ausfall an erzeugter elektrischer Leistung wird somit reduziert.
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In der Schrift
EP 1 312 153 B1 ist eine Windenergieanlage mit einem Generatorsystem mit mehreren Wicklungssystemen beschrieben, denen jeweils ein Gleichrichter und ein Wechselrichter zugeordnet ist. Bei Ausfall eines dieser Bauteile kann durch die übrigen, funktionsfähigen Bauteile noch ein Teil der Nennleistung generiert werden und so ein Gesamtausfall der Anlage verhindert werden. Die in dieser Schrift erläuterte Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, dass eine große Anzahl an elektrischen Bauteilen gleichzeitig zu betreiben ist, von denen jedes Bauteil bei Betrieb auch lastunabhängige Verluste, insbesondere in Form von Verlustwärme verursacht. Der Gesamtwirkungsgrad dieser Windenergieanlage ist aufgrund der großen Anzahl an elektrischen Bauteilen reduziert.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik ein Verfahren bekannt, bei dem im unteren Leistungsbereich der Windenergieanlage nur ein Wicklungssystem belastet wird und weitere Wicklungssysteme im Leerlauf betrieben werden. Um zum Erhöhen der abgegebenen Leistung bei stärkerem Windaufkommen zusätzlich ein weiteres Wicklungssystem zu belasten, ist die Rotorwelle vollständig abzubremsen und die Windenergieanlage muss unter Belastung des weiteren Wicklungssystems neu gestartet werden, da die plötzliche Belastung eines zuvor im Leerlauf betriebenen Wicklungssystems des Generators nicht möglich ist. Dieser Neustart ist mit erheblichem Aufwand und mit Verlusten an generierter elektrischer Leistung verbunden. Ferner werden bei diesem Verfahren die Wicklungssysteme zumindest zeitweise ungleichmäßig belastet, wodurch sich die Lebenszeit des Generators verringert.
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Angesichts dieser aus dem Stand der Technik bekannten Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad der Windenergieanlage unter Erhöhung der Lebenszeiten von Generatorsystem und Umrichtern zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die von dem Generatorsystem abgegebene elektrische Leistung mit einer vorgegebenen Leistungsschwelle verglichen wird und bei deren Nichtüberschreiten mindestens zwei Teilströme vor der Umrichtung zusammengeschaltet werden und bei deren Überschreiten die Umrichtung jedes Teilstroms getrennt ausgeführt wird.
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Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass eine getrennte Umrichtung der über die Stromflusswege abgegebenen Teilströme gerade im oberen Leistungsbereich der Windenergieanlage besonders sinnvoll ist. Im Falle einer großen erzeugten Leistung ist nämlich ein einziger Umrichter zum Umrichten des erzeugten Stromes nicht mehr in der Lage und die Aufteilung der Teilströme auf mehrere Umrichter zur Verhinderung einer Überlastung des Umrichters wird trotz höherer Verluste bei Betrieb mehrerer Umrichter sinnvoll. Im oberen Leistungsbereich der Windenergieanlage spielen jedoch die leistungsunabhängigen Wärmeverluste der einzelnen Umrichter prozentual gesehen eine geringere Rolle als im unteren Leistungsbereich, so dass die durch den Betrieb mehrerer Umrichter generierten höheren Verluste im oberen Leistungsbereich in Kauf genommen werden können. Nach erfolgter Umrichtung können die umgerichteten und mit der Netzspannung und damit auch gegenseitig synchronisierten Teilströme problemlos zusammengeführt werden und ggf. nach Durchlaufen einer Transformatoreinheit in das Versorgungsnetz eingespeist werden.
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Dagegen ist im unteren Leistungsbereich eine Verringerung von Wärmeverlusten und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage möglich, wenn man bei Nichtüberschreiten der Leistungsschwelle durch die von dem Generatorsystem abgegebene elektrische Leistung mindestens zwei Teilströme vor deren Umrichtung zusammenschaltet. Die zusammengeschalteten Teilströme können dann gemeinsam umgerichtet, ggf. transformiert und anschließend in das Versorgungsnetz einspeist werden.
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Die Stromflusswege des Generatorsystems sind damit im oberen wie im unteren Leistungsbereich gleichermaßen belastet, wodurch sich die Lebensdauer des Generatorsystems im Vergleich zu einem Betrieb mit ungleicher Belastung oder zeitweisem Leerlaufbetrieb eines der Stromflusswege erhöht. Im unteren Leistungsbereich genügt ein Umrichter zur Umrichtung der generierten elektrischen Leistung, so dass das Anschalten mehrerer Teilströme an nur einen Umrichter zur Verringerung von Wärmeverlusten ohne Überlastung des Umrichters möglich ist. Zusätzlich kann durch die zeitweise Nichtbelastung eines Umrichters im unteren Leistungsbereich die Lebensdauer dieses Umrichters erhöht werden.
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Die von einzelnen Wicklungssystemen eines Generatorsystems gelieferten Teilströme weisen im Regelfall etwa dieselben Amplituden auf, so dass die Teilströme im oberen Leistungsbereich gleiche Bauteile durchlaufen können und insbesondere die jeweils einem Wicklungssystem zugeordneten Umrichter gleich ausgestattet und dimensioniert sein können. Durch Verwendung gleicher elektrischer Bauteile für jeden Teilstrom können Kosten eingespart werden. Leichte Unterschiede in den erzeugten Teilströmen können auf Fertigungsunterschiede in den einzelnen Wicklungssystemen zurückzuführen sein.
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Von demselben Generatorsystem erzeugte Teilströme weisen nach Erzeugung und vor Umrichtung im Regelfall dieselbe Frequenz auf, so dass bei der Zusammenschaltung der Teilströme vor deren gemeinsamer Umrichtung lediglich auf eine phasensynchrone Überlagerung zu achten ist. In Abhängigkeit von der Ausführung der Stromflusswege bzw. der Wicklungssysteme im Generatorsystem kann bei der Zusammenführung der Teilströme die Einführung einer Phasenverschiebung auf einen oder mehrere der Teilströme erforderlich sein. Diese Phasenverschiebung kann bspw. mithilfe eines Synchronoskops eingeführt werden. Alternativ können die Wicklungssysteme des Generatorsystems in Form von „doppelten Wicklungen” ausgeführt sein. Hierbei liegen die Wicklungen eines ersten Wicklungssystems ohne Winkelversatz unmittelbar unterhalb der Wicklungen eines zweiten Wicklungssystems, so dass die Phasen der Teilströme beider Wicklungssysteme bereits wicklungsbedingt synchronisiert sind. In diesem Fall ist lediglich darauf zu achten, dass bei der Zusammenschaltung beider Teilströme jeweils die korrekten Phasen der Drehströme miteinander verbunden werden.
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Zur Umschaltung zwischen dem Betrieb oberhalb der Leistungsschwelle mit Belastung mehrerer Umrichter und Betrieb unterhalb der Leistungsschwelle mit Belastung nur eines Umrichters und umgekehrt ist kein Stopp und Neustart der Windenergieanlage durchzuführen, da eine Änderung der Belastung der einzelnen Wicklungssysteme des Generatorsystems zu jedem Zeitpunkt, insbesondere während des Anschaltens oder Abschaltens eines Umrichters an ein Wicklungssystem, stetig erfolgt.
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Vorzugsweise führt man die Teilströme bei Überschreiten der Leistungsschwelle über die Stromflusswege des Generatorsystems mit dem Versorgungsnetz verbindende, elektrisch voneinander getrennte Wege, richtet auf jedem Weg den darauf geführten Teilstrom um und vereinigt die Wege nach der Umrichtung der Teilströme elektrisch. Im oberen Leistungsbereich werden damit vollständig voneinander elektrisch getrennte Stränge betrieben, die erst nach der Umrichtung der Teilströme und vor der Einspeisung in das Versorgungsnetz bzw. vor der Transformierung auf Mittelspannung zusammengeführt werden. Bei Ausfall oder Defekt eines Bauteils in einem dieser Stränge können die anderen Stränge weiter betrieben werden, wodurch der Verlust an generierbarer elektrischer Leistung verringert wird.
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Bei Nichtüberschreiten der Leistungsschwelle wird ein erster Teilstrom vorzugsweise über denselben Weg geführt, auf dem er auch bei Überschreiten der Leistungsschwelle geführt wird, und ein zweiter Teilstrom wird vor dem Umrichten in diesen Weg eingeleitet und dort zusammen mit dem ersten Teilstrom umgerichtet. Wenn die Windenergieanlage von dem Betrieb im oberen Leistungsbereich in den Betrieb im unteren Leistungsbereich umgeschaltet wird, kann ein dem zweiten Teilstrom zugeordneter Umrichter hierzu von dem dem zweiten Teilstrom zugeordneten Wicklungssystem abgetrennt und dieses Wicklungssystem derart an den Weg des ersten Teilstroms angeschaltet werden, dass der zweite Teilstrom mit dem ersten Teilstrom zusammengeführt und zusammen mit dem ersten Teilstrom umgerichtet wird. Vorzugsweise wird bei Umschaltung vom oberen Leistungsbereich in den unteren Leistungsbereich automatisch derjenige Umrichter vom Wicklungssystem abgetrennt, der die höhere Zahl an Betriebsstunden aufweist.
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Die Umrichtung des von dem Generatorsystem abgegebenen Stroms besteht zweckmäßigerweise darin, dass der Strom zunächst gleichgerichtet, der gleichgerichtete Strom in einen Gleichspannungszwischenkreis eingespeist und der das Versorgungsnetz speisende Strom durch Wechselrichtung aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnommen wird. Gleichrichter und/oder Wechselrichter weisen vorzugsweise IGBT-Module auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ausgeführt werden in einer Anordnung zum Umrichten eines von einem elektrischen Generatorsystem einer Windenergieanlage abgegebenen elektrischen Stroms in einen ein elektrisches Versorgungsnetz speisenden Strom, wobei das Generatorsystem ein einen ersten Teilstrom lieferndes erstes Wicklungssystem, ein einen zweiten Teilstrom lieferndes zweites Wicklungssystem, einen ersten Umrichter und einen zweiten Umrichter aufweist. Die Anordnung weist eine in Abhängigkeit von einem Vergleich der von dem Generatorsystem abgegebenen elektrischen Leistung mit einer vorgegebenen Leistungsschwelle gesteuerte Schalteinrichtung auf, durch die bei Nichtüberschreiten der Leistungsschwelle die beiden Wicklungssysteme gemeinsam an nur einen der beiden Umrichter anschaltbar sind und bei Überschreiten der Leistungsschwelle das erste Wicklungssystem an den ersten Umrichter und das zweite Wicklungssystem an den zweiten Umrichter anschaltbar ist.
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Zweckmäßigerweise ist im unteren Leistungsbereich, wenn die von dem Generatorsystem abgegebene Leistung unterhalb der Leistungsschwelle liegt, nur einer der beiden Umrichter an beide Wicklungssystemen angeschaltet, wohingegen bei Überschreiten der Leistungsschwelle durch die abgegebene Leistung automatisch ein Umschaltvorgang ausführbar ist, durch den der erste Umrichter an das erste Wicklungssystem geschaltet wird und der zweite Umrichter an das zweite Wicklungssystem geschaltet wird. Bei einem Absinken der generierten Leistung unter die Leistungsschwelle ist automatisch ein Umschaltvorgang in umgekehrter Richtung durchführbar. Zur Initiierung dieses Umschaltvorgangs kann die Schaltvorrichtung eine Steuervorrichtung aufweisen.
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Wie oben beschrieben, ist die Lebenszeit des Generatorsystems einer erfindungsgemäßen Anordnung besonders hoch, da die Wicklungssysteme des Generatorsystems zu jeder Zeit gleichermaßen belastet sind. Durch die dauerhafte gleichmäßige Belastung beider Generatorsysteme können zusätzlich Temperaturspitzen minimiert werden. Auch die Umrichter weisen hohe Lebenszeiten auf, da im unteren Leistungsbereich nur einer der beiden Umrichter an das zugehörige Wicklungssystem angeschaltet ist, wodurch sich die Lebensdauer des anderen, nicht belasteten Umrichters erhöht. Ferner sind die Umrichterverluste insbesondere im unteren Leistungsbereich reduziert, da in diesem Leistungsbereich nur ein Umrichter betrieben wird und keine lastunabhängigen Wärmeverluste des zweiten Umrichters anfallen.
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Es hat sich im Hinblick auf einen optimalen Gesamtwirkungsgrad der Windenergieanlage als günstig herausgestellt, wenn die Leistungsschwelle im Bereich von 25–60%, bevorzugt 40–50% der Nennleistung der Windenergieanlage liegt. Die Schaltvorrichtung ist zweckmäßigerweise bei Überschreiten und Unterschreiten dieser vorgegebenen Leistungsschwelle durch die von dem Generatorsystem generierte elektrische Leistung zur Durchführung eines oben beschriebenen Umschaltvorgangs betreibbar.
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Damit die Betriebszeiten der beiden Umrichter nach längerem Betrieb der Anlage nicht stark voneinander abweichen, sind bei Unterschreiten der Leistungsschwelle die beiden Wicklungssysteme vorzugsweise automatisch gemeinsam an denjenigen Umrichter anschaltbar, der die geringere Anzahl an Betriebsstunden aufweist. Die momentane Anzahl an Betriebsstunden kann bspw. in der Steuerung jedes Umrichter abgelegt sein und an eine Steuervorrichtung der Windenergieanlage weitergeleitet werden, die bei Unterschreiten der Leistungsschwelle auf Basis dieser Information entscheidet, welcher Umrichter an beide Wicklungssysteme anzuschalten und welcher Umrichter von dem Generatorsystem abzutrennen ist.
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Es hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn beide Wicklungssysteme im Falle eines Defektes eines Umrichters automatisch gemeinsam an denjenigen Umrichter anschaltbar sind, der den Defekt nicht aufweist. Im unteren Leistungsbereich kann auf diese Weise trotz Defekts noch die maximal mögliche elektrische Leistung generiert werden. Um eine Überlastung des noch funktionsfähigen Umrichters bei Überschreiten der Leistungsschwelle zu verhindern, kann in diesem Fall daran gedacht werden, im oberen Leistungsbereich nur ein Wicklungssystem an den noch funktionsfähigen Umrichter anzuschalten und das andere Wicklungssystem im Leerlauf zu betreiben.
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Vorzugsweise weist die Schalteinrichtung einen ersten Schalter zur phasensynchronen Zusammenschaltung des ersten Teilstroms und des zweiten Teilstroms vor deren Umrichtung, einen zweiten Schalter zum Anschalten des ersten Umrichters an das Generatorsystem und einen dritten Schalter zum Anschalten des zweiten Umrichters an das Generatorsystem auf. Bei Absinken der generierten Leistung unter die Leistungsschwelle wird mithilfe des zweiten (des dritten) Schalters der erste Umrichter (der zweite Umrichter) von dem Generatorsystem getrennt und der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom werden über den ersten Schalter phasenrichtig zusammengeführt und dem noch mit dem Generatorsystem verbundenen zweiten (ersten) Umrichter zugeführt. Umgekehrt wird bei Ansteigen der generierten Leistung über die Leistungsschwelle zunächst der nichtaktive erste (oder zweite) Umrichter über den zweiten (oder dritten) Schalter an das Generatorsystem angeschaltet und anschließend werden die beiden Teilströme über den ersten Schalter voneinander getrennt, so dass jeder Teilstrom jeweils einem Umrichter zugeführt wird. Die Schalteinrichtung ist in Abhängigkeit von einem Vergleich der von dem Generatorsystem abgegebenen elektrischen Leistung mit der vorgegebenen Leistungsschwelle von einer Steuervorrichtung der Windenergieanlage zur zeitlich korrekten Ausführung des betreffenden Umschaltvorgangs ansteuerbar.
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Bevor ein Umrichter zur Umrichtung eines Stromes belastbar ist, ist der Gleichspannungszwischenkreis des Wechselrichters des Umrichters vorzuladen. Zur Vorladung kann der Zwischenkreis beispielsweise über eine Vorladeschaltung aus dem Versorgungsnetz mit Strom gespeist werden. Zur Vorladung des Zwischenkreises wird üblicherweise eine gewisse Zeit benötigt, die vor Anschalten des Umrichters an das Generatorsystem abzuwarten ist. Um ein vorzeitiges Anschalten eines Umrichters an ein Wicklungssystem des Generatorsystems zu verhindern, kann die Vorladeschaltung des Umrichters einer erfindungsgemäßen Anordnung vor Anschaltung des Umrichters an das dem Umrichter zugeordnete Wicklungssystem zur Vorladung des Zwischenkreises aktivierbar sein. Nach abgeschlossener Vorladung kann eine Umrichtersteuerung an die Steuervorrichtung der Windenergieanlage ein Signal zur Freigabe der Anschaltung des Umrichters an das Generatorsystem übermitteln.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schalteinrichtung einen vierten Schalter zum Trennen des ersten Umrichters von dem Versorgungsnetz unter Aufrechterhaltung einer ersten Ladeverbindung zum Vorladen des Zwischenkreises des ersten Umrichters aus dem Versorgungsnetz und einen fünften Schalter zum Trennen des zweiten Umrichters von dem Versorgungsnetz unter Aufrechterhaltung einer zweiten Ladeverbindung zum Vorladen eines Zwischenkreises des zweiten Umrichters aus dem Versorgungsnetz aufweist. Damit ist jeder Umrichter sowohl generatorseitig als auch netzseitig von Generator und/oder Versorgungsnetz an- und abschaltbar, wobei die netzseitige Abschaltung eines Umrichters vorzugsweise gleichzeitig mit der generatorseitigen Abschaltung durch die Steuervorrichtung durchführbar ist. Vor Anschaltung des Umrichters an das dem Umrichter zugeordnete Wicklungssystem ist eine Vorladung des Zwischenkreises des Umrichters aus dem Versorgungsnetz über die Ladeverbindung möglich.
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Vorzugsweise weist das Generatorsystem einen Synchrongenerator auf und die beiden Wicklungssysteme sind in Form von ggf. winkelversetzt angeordneten Drehstromwicklungen ausgeführt. Die Wicklungssysteme können bspw. um 30° versetzt angeordnet sein. Besonders bevorzugt sind die Wicklungssysteme jedoch als nicht winkelversetzt angeordnete „doppelte Wicklungen” ausgeführt, bei denen eine erste Wicklung unterhalb einer zweiten Wicklung angeordnet ist. Auch mehr als zwei, bspw. drei oder vier Wicklungssysteme sind denkbar. Der Synchrongenerator kann permanentmagneterregt oder über eine Erregerwicklung erregbar sein. Ferner kann das Generatorsystem auch eine Asynchronmaschine anstelle einer Synchronmaschine aufweisen.
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Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt:
den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Umrichten eines in einem Generatorsystem einer Windenergieanlage erzeugten elektrischen Stromes in einer schematischen Darstellung.
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Zum Zweck der übersichtlicheren Darstellung des Schaltplans sind in 1 die in der Elektrotechnik üblichen Schaltzeichen verwendet. Gezeigt ist der Schaltplan einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Generatorsystem 10 zum Erzeugen eines elektrischen Stromes, der über zwei Umrichter 20, 30 umgerichtet wird, in einer Transformatoreinheit 60 auf Mittelspannung hochtransformiert und anschließend in das Versorgungsnetz 65 eingespeist wird. Die Umrichtung erfolgt zur Synchronisierung der in das Versorgungsnetz einzuspeisenden Spannung mit der Netzspannung (üblicherweise 50 Hz oder 60 Hz) und ist insbesondere bei Verwendung eines drehzahlvariablen Generators wie etwa eines Synchrongenerators erforderlich. Die Umrichter 20, 30 der in 1 gezeigten Anordnung sind jeweils Vollumrichter.
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Das Generatorssystem 10 weist zwei getrennte, als Wicklungssysteme 12, 14 ausgeführte Stromflusswege auf, in denen jeweils ein Drehstrom erzeugt wird. Der gesamte in dem Generatorsystem erzeugte Strom setzt sich also aus dem in dem ersten Wicklungssystem 12 generierten ersten Teilstrom und dem in den zweiten Wicklungssystem 14 generierten zweiten Teilstrom zusammen. In weiteren Ausführungsformen sind jedoch auch mehr als zwei getrennte Stromflusswege des Generatorsystems denkbar.
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Wenn die generierte Leistung oberhalb einer vorgegebenen Leistungsschwelle liegt, also bspw. bei Volllastbetrieb der Windenergieanlage, wird der in dem ersten Wicklungssystem erzeugte Teilstrom über einen ersten Weg 16 geführt, auf dem er einem ersten Umrichter 20 zugeleitet wird und dort in einem generatorseitigen Gleichrichter 24 des Umrichters 20 gleichgerichtet und in einem netzseitigen Wechselrichter 26 des Umrichters 20 auf Netzfrequenz wechselgerichtet wird. Der Umrichter 20 weist einen generatorseitigen Leistungsschalter 42 sowie einen netzseitigen Leistungsschalter 46 auf, wobei beide Schalter 42, 46 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen erstem Umrichter 20 und erstem Wicklungssystem 12 sowie erstem Umrichter 20 und Versorgungsnetz 65 geschlossen sind. Der erste Umrichter 20 weist ferner einen Zwischenkreis 23 mit einer Vorladeschaltung 22 zur Vorladung des Zwischenkreises 23 auf.
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Auf analoge Weise wird der in dem zweiten Wicklungssystem 14 erzeugte Teilstrom über einen zweiten, von dem ersten Weg 16 elektrisch getrennten Weg 18 geführt, auf dem er einem zweiten Umrichter 30 zugeleitet wird und dort in einem generatorseitigen Gleichrichter 34 gleichgerichtet und in einem netzseitigen Wechselrichter 36 auf Netzfrequenz wechselgerichtet wird. Ein generatorseitiger Leistungsschalter 44 zum Anschalten des zweiten Umrichters 30 an das zweite Wicklungssystem 14 sowie ein netzseitiger Leistungsschalter 48 zum Verbinden des zweiten Umrichters 30 mit dem Versorgungsnetz 65 sind geschlossen. Auch der zweite Umrichter 30 weist einen Zwischenkreis 33 mit einer Vorladeschaltung 32 zur Vorladung des Zwischenkreises 33 auf.
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Nach der getrennten Umrichtung werden der erste und der zweite Teilstrom an einer Sammelschiene 62 zusammengeführt, dem Transformatorsystem 60 zugeleitet und nach Transformation auf Mittelspannung in das Versorgungsnetz 65 eingespeist.
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Bei Absinken der von dem Generatorsystem 10 generierten elektrischen Leistung unter die vorgegebene Leistungsschwelle, die bei etwa 50% der Nennleistung der Anlage liegen kann, wird automatisch eine Schalteinrichtung 40, 42, 44, 46, 48 von einer Steuervorrichtung 50 der Windenergieanlage zur gemeinsamen Anschaltung beider Wicklungssysteme 12, 14 an einen der beiden Umrichter angesteuert. Einer der beiden Umrichter wird hierbei durch Öffnen der beiden Schalter 42, 46 oder 44, 48 des Umrichters von Generatorsystem 10 und Versorgungsnetz 65 abgetrennt. Vorzugsweise wird automatisch derjenige Umrichter zur Abtrennung ausgewählt, der die größere Anzahl an Betriebsstunden aufweist. Etwa gleichzeitig wird ein Schalter 40 zur Zusammenführung der beiden Teilströme und zu deren gemeinsamen Anschaltung an den anderen Umrichter geschlossen. Falls die Wicklungssysteme im Generatorsystem winkelversetzt angeordnet sind bzw. falls der erste und der zweite Teilstrom eine Phasenverschiebung aufweisen, ist bei Schließen des Schalters 40 auf eine phasenrichtige Zusammenschaltung der Teilströme zu achten, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Der Schalter 40 sowie die Schalter 42, 44, 46, 48 der Umrichter können in Form von elektromagnetischen Schaltern wie etwa Schützen gebildet sein.
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Falls die von dem Generatorsystem 10 abgegebene Leistung die Leistungsschwelle überschreitet, was bspw. bei Zunahme der Windgeschwindigkeit geschieht, werden die beschriebenen Schaltvorgänge in umgekehrter Richtung durchgeführt. Jedoch ist der Zwischenkreis 23 (33) des Umrichters 20 (30) vor dessen Anschaltung an das Wicklungssystem 12 (14) vorzuladen, wobei die Vorladung durch Speisung des Zwischenkreises direkt aus dem Versorgungsnetz 65 erfolgt. Die Vorladeschaltung 22 (32) ist vor Anschalten des Umrichters 20 (30) an das Generatorsystem zur Aktivierung der Vorladung aktivierbar. Nach Erreichen eines im Zwischenkreis notwendigen Spannungsniveaus ist ein Signal zur Freigabe der Anschaltung des Umrichters an das Wicklungssystem generierbar, nach dessen Empfang die Schalteinrichtung 40, 42, 44, 46, 48 von der Steuervorrichtung 50 zur Anschaltung des abgetrennten Umrichters an Versorgungsnetz und Wicklungssystem sowie zum Öffnung des Schalters 40 zum Trennen der Verbindung zwischen den beiden Wegen 16, 18 ansteuerbar ist.
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Die Kommunikation erfolgt hierbei zwischen einer jedem Umrichter zugeordneten Umrichtersteuerung, einer beide Umrichter übergreifenden STEUERUNG UMRICHTER und einer zentralen STEUERUNG der Windenergieanlage. Befehle der zentralen STEUERUNG der Windenergieanlage, beispielsweise ein Befehl zur Durchführung eines Umschaltvorgangs, können der übergreifenden STEUERUNG UMRICHTER zugeführt werden, die wiederum in Abhängigkeit von der durchzuführenden Maßnahme einen Befehl an eine oder mehrere Umrichtersteuerungen weiterleitet. Auch in umgekehrter Richtung sind Befehle bzw. Signale übertragbar. Die Steuervorrichtung 50 umfasst diese genannten Steuerungen.
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Das in 1 darstellte Schaltbild veranschaulicht beispielhaft eine mögliche erfindungsgemäße Anordnung bzw. ein erfindungsgemäßes Verfahren. Eine erfindungsgemäße Anordnung ist jedoch nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt. Vielmehr ist es für den Fachmann offensichtlich, dass beispielsweise anstelle eines Synchrongenerators auch eine Asynchronmaschine verwendbar ist. Ferner sind mehr als zwei, beispielsweise drei, vier oder mehr Wicklungssysteme mit jeweils einem jedem Wicklungssystem zugeordneten Umrichter denkbar, wobei in Abhängigkeit von der generierten Leistung zwei, drei, vier oder mehr Wicklungssysteme an einen Umrichter oder auch zwei Wicklungssysteme an einen ersten und zwei weitere Wicklungssysteme an einen zweiten Umrichter anschaltbar sind. In diesem Fall sind mehr als eine vorgegebene Leistungsschwelle denkbar bei deren Über- oder Unterschreiten Teilströme getrennt umgerichtet werden oder gemeinsam an einen oder mehrere Umrichter anschaltbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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