DE102010039332A1

DE102010039332A1 - Asynchronsystem und Windturbine mit einem Asynchronsystem

Info

Publication number: DE102010039332A1
Application number: DE102010039332A
Authority: DE
Inventors: Alex Dr. Rafoth
Original assignee: INTELLECTUAL PROPERTY SUZLON ENERGY GmbH
Current assignee: INTELLECTUAL PROPERTY SUZLON ENERGY GmbH
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2010-08-15
Publication date: 2011-03-17
Also published as: WO2011018527A3; CN102668362A; ZA201201866B; AU2010283722A1; WO2011018527A2; EP2465192A2; US20120139246A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Asynchrongeneratorsystem für eine Windturbine sowie eine Windturbine mit einem solchen System und das Verfahren für den Betrieb und das Anlaugen einer solchen Windturbine. Dabei ist das Asynchrongeneratorsystem besonders einfach und damit kostengünstig ausgestaltet und in der Lage, Windböen und damit verbundene Drehzahlsteigerungen abzufangen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Asynchrongeneratorsystem für eine Windturbine sowie eine Windturbine mit einem solchen System und das Verfahren für den Betrieb und das Anlaufen einer solchen Windturbine. Dabei ist das Asynchrongeneratorsystem besondere einfach und damit kostengünstig ausgestaltet und in der Lage Windböen und damit verbundene Drehzahlsteigerungen abzufangen.
Grundsätzlich ist es bekannt Asynchrongeneratorsysteme für Windturbinen zu verwenden, um aus der Rotation eines Windrades, also eines Rotors, dessen kinetische Rotationsenergie in elektrische Leistung umzuwandeln. Solche Asynchrongeneratorsysteme weisen üblicherweise einen Asynchrongenerator auf, welcher einen Stator und einen relativ dazu rotierbaren Läufer aufweist. Dabei ist es möglich, dass es sich mit Bezug zu dem Stator um einen innenliegenden, wie auch um einen außenliegenden Läufer handelt.
Auch ist es grundsätzlich bekannt, dass insbesondere bei Windturbinen mit hohen Leistungen, also mit besonders großen Rotordurchmessern, Asynchrongeneratorsysteme zum Einsatz kommen, welche sogenannte doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren (Doubly Fed Induction Generator DFIG) sind. Bei solchen Ausführungsformen sind sowohl die Wickelungen des Stators, wie auch die Wickelungen des Läufers mit einem Netz verbunden, welches mit Leistung von der Windturbine gespeist werden soll. Diese Asynchrongeneratorsysteme sind insbesondere im sogenannten übersynchronen Betrieb vorteilhaft, also in einem Betrieb, in welchem sich der Läufer schneller dreht, als das nachfolgende induzierte magnetische Feld im Stator. Durch die Relativbewegung entstehende Ströme und damit zur Verfügung stellbare Leistung im Läufer werden im übersynchronen Betrieb ebenfalls in das Netz eingespeist. Um dies zu ermöglichen, weisen solche doppelt gespeiste Asynchrongeneratorsysteme, einen eigenen Läuferkreis auf, welcher über einen Frequenzumrichter, also einen Gleichrichter und einen nachfolgenden Wechselrichter die Leistung, welche vom Läufer im übersynchronen Betrieb erzeugt wird, an das Netz und an dessen Netzbedingungen anpassen kann. Das Netz wird also auch aus dem Läuferkreis gespeist. Nachteilig bei den bekannten Asynchrongeneratorsystemen ist jedoch, dass in solchen Ausführungsformen eine sehr komplexe Konstruktion notwendig ist. Insbesondere sind eine Vielzahl elektronischer Bauteile notwendig um auch den Läufer, insbesondere dessen Wickelungen, mit dem Netz verbinden zu können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die voranstehend erläuterten Nachteile zu lösen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Asynchrongeneratorsystem für eine Windturbine zur Verfügung zu stellen, welches in besonders einfacher Weise ein schnelles Beeinflussen der Drehzahl des Rotors der Windturbine ermöglicht, insbesondere schneller als dies durch eine mechanische Verstellung der Rotorblätter, das sogenannte Pitchen, möglich wäre.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein erfindungsgemäßes Asynchrongeneratorsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch eine Windturbine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10. Weiter ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Windturbine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11 sowie ein Verfahren zum Anfahren einer Windturbine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 12. Weitere Ausführungsformen ergeben sich insbesondere aus den an die jeweiligen unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Asynchrongeneratorsystem für eine Windturbine zur Erzeugung von Strom, der einem Netz zur Verfügung gestellt wird, weist dabei einen Asynchrongenerator mit einem Stator und einem Läufer auf. Dabei ist unerheblich, ob der Läufer im Inneren des Stators oder um diesen herum angeordnet ist, ob es sich also um einen innenliegenden oder einen außenliegenden Läufer handelt. Weiter ist ein Statoranschluss vorgesehen, der eine elektrische Verbindung von Wickelungen des Stators mit dem Netz ermöglicht. Dieser Statoranschluss dient also dem elektrischen Verbinden eines erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystems mit dem Netz. Dieser Statoranschluss kann rein funktional, beispielsweise durch vom Statur weg verlaufende Kabel, ausgestaltet sein, jedoch auch durch mechanische Kontakte strukturell, insbesondere durch Steckkontakte ausgebildet sein.
Weiter ist ein Läuferanschluss vorgesehen, der die Wicklungen des Läufers mit einem leistungselektronischen System elektrisch leitend verbindet. Das leistungselektronische System ist dabei ein vom Netz elektrisch isoliertes System, welches einen vom Netz separaten Stromkreis des Läufers bildet. Dieses leistungselektronische System kann also auch als Läuferkreis, oder als elektrischer Läuferkreis bezeichnet werden, der keine Leistung in das Netz einspeisen kann. Das vom Netz elektrisch isolierte leistungselektronische System weist zumindest einen Umrichter auf, der einen in den Läuferwickelungen erzeugten Wechselstrom umrichtet. Dieser Umrichter ist dabei abhängig von der Flussrichtung des Stroms durch diesen Umrichter. Im übersynchronen Betrieb, als in einem Betrieb, in welchem durch die Wicklungen des Läufers Strom fließt, welcher durch die Differenzgeschwindigkeit zwischen Läufer und induziertem Magnetfeld im Stator erzeugt wird, funktioniert der Umrichter als Gleichrichter, der den Wechselstrom von den Windungen des Läufers erhält und gleichrichtet. In umgekehrter Betriebsrichtung, beispielsweise im untersynchronen Betrieb, also in einem Betrieb, in welchem der Läufer, also dessen Windungen, Strom zur Unterstützung benötigt fließt Strom in umgekehrter Richtung durch den Umrichter und wird daher von der Gleichstromseite auf die Läuferseite wechselgerichtet. Der Umrichter wirkt in dieser Betriebssituation also als Wechselrichter.
Weiter ist im leistungselektronischen System zumindest ein Widerstand vorgesehen, der dem Umrichter mit Bezug auf den Läuferanschluss nachgeschaltet ist. Mit anderen Worten befindet sich der Widerstand also auf der Gleichstromseite des Umrichters. Es kann also zusammengefasst werden, dass zwischen Läuferanschluss und Umrichter die Wechselstromseite des leistungselektronischen Systems vorliegt, während auf der gegenüberliegenden Seite des Läuferanschlusses vom Umrichter aus gesehen die Gleichstromseite vorhanden ist. In dieser Gleichstromseite ist ein Widerstand angeordnet, über den Strom, welcher im übersynchronen Betrieb von den Wicklungen des Läufers erzeugt wird, fließt.
Für den Einsatzfall, dass am Eingang des Asynchrongeneratorsystems, also bei der Verbindung zwischen dem Rotor der Windturbine und dem Läufer sich die Drehzahl erhöht, wie dies beispielsweise im Falle von Windböen eintreten kann, wird auch der Läufer des Asynchrongenerators schneller gedreht. Diese Zunahme an Drehzahl steigert die Asynchronizität im Betriebszustand des Asynchrongenerators. Dies würde einerseits zu einer Reduktion des Wirkungsgrades führen, andererseits jedoch auf der Statorseite ebenfalls Änderungen hervorrufen, sodass am Statoranschluss nicht mehr die gewünschten und vom Netz vorgeschriebenen Bedingungen für den erzeugten Strom vorliegen. In besonders einfachen und kosteneffizienten Windturbinen ist jedoch am Statoranschluss bevorzugt eine direkte Netzkoppelung vorgesehen, sodass eine Einflussnahme auf die erfolgten Änderungen im Windböenfall, auf den erzeugten Strom nicht durchgeführt werden kann. Mit anderen Worten würde eine Windböe also zu Schwankungen der erzeugten Leistung, insbesondere des erzeugten Stromflusses führen, welche nicht mit den vorgeschriebenen Netzbedingungen übereinstimmen. Im schlimmsten Fall würde eine solche Anlage keine Zulassung erhalten an ein Netz angekoppelt zu werden. Damit wäre die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage nicht mehr gegeben.
Um zu vermeiden dass zusätzliche und teure elektronische Komponenten auf Statorseite des Asynchrongenerators notwendig werden, die Windböen abpuffern können, wird durch die vorliegende Erfindung im Falle einer solchen Windböe die Steigerung der Drehzahl des Rotors der Windturbine und damit der Drehzahl des Läufers des Asynchrongenerators dadurch abgepuffert, dass der erzeugte Strom über den Umrichter gleichgerichtet wird und im leistungselektronischen System vom Netz elektrisch isoliert über den Widerstand läuft. Mit anderen Worten erzeugt der Widerstand einen Widerstand gegen Stromfluss auf der Gleichstromseite des Umrichters, welcher wiederum als Widerstand gegen Stromfluss auf der Wechselstromseite des Läufers resultiert. Damit erhöht sich der elektrische Widerstand gegen die erhöhte Drehzahl des Läufers, wodurch der Läufer abgebremst wird. Die zusätzlich erzeugte Energie wird dabei insbesondere am Widerstand in Wärme umgewandelt und damit abgepuffert.
Im Vergleich zu den bekannten DFIG-Systemen wird auf diese Weise sozusagen Leistung vernichtet, also die zusätzlich im übersynchronen Betrieb erzeugte Leistung nicht ins Netz eingespeist sondern über den Widerstand sozusagen verbrannt. Die Erzeugung von Wärme vernichtet also diese zusätzliche Leistung, da kein Netzkontakt gegeben ist. Jedoch kann auf diese Weise auch im Falle von Windböen die Drehzahl im Wesentlichen konstant gehalten werden, ohne dass zusätzliche aufwendige elektronische Bauteile insbesondere auf Statorseite des Asynchrongenerators notwendig sind. Darüber hinaus kann auf den Netzanschluss und die entsprechende Notwendigkeiten für einen solchen auf der Läuferseite verzichtet werden. Insbesondere kann auf zusätzliche elektronische Komponenten, wie beispielsweise einen Wechselrichter verzichtet werden, welcher ansonsten den Läuferkreis mit dem Netz verbinden müsste. Alle Komponenten des Läufers sind demnach unabhängig vom Netz und damit einfacher auslegbar.
Der voranstehend beschriebene Vorgang des Abpufferns im übersynchronen Betrieb ist dabei nur temporär. Insbesondere ist das Abpuffern notwendig in der Zeit, die benötigt wird um ein Pitchen der Rotorblätter durchzuführen. Es handelt sich also um eine schnelle Reaktion auf eine Windböe, die von einer etwas langsameren Reaktion, nämlich dem Pitchen der Rotorblätter gefolgt wird. Sofern es sich bei der Windböe nur um eine besonders kurze Windböe handelt, kann auf diese Weise vorgesehen werden, dass die Steuerlogik das mechanische Pitchen der Windräder vollständig unterlässt, wenn die Windböe innerhalb einer gewissen Zeitdauer wieder abflaut. Unnötiges Pitchen und damit unnötige Stellarbeit an den Rotorblättern einer Windturbine kann auf diese Weise vermieden werden.
Unter elektrischer Isolation des leistungselektronischen Systems vom Netz ist dabei zu verstehen, dass das leistungselektronische System keine elektrische Verbindung zum Netz aufweist. Mit anderen Worten ist der Läuferkreis vom Netz elektrisch getrennt. Eine solche elektrische Trennung ist dabei insbesondere eine vollständige elektrische Isolierung, bei der auch keine indirekten, beispielsweise über Transformatoren hergestellten, Verbindungen zum Netz bestehen.
Der Widerstand im leistungselektronischen System ist vorteilhafterweise schaltbar. Diese Schaltbarkeit ist im einfachsten Sinn eine Ein- und Ausschaltbarkeit eines Widerstandes. Durch die Kombination mehrerer Widerstände und/oder Induktivitäten können somit unterschiedliche Widerstandswerte auf der Gleichstromseite des Umrichters des leistungselektronischen Systems erzeugt werden, die entsprechenden unterschiedlichen übersynchronen Betriebsarten, also dementsprechend unterschiedlich starken Windböen, angepasst sind. Eine Vielzahl von Widerständen kann durch gezieltes Einschalten einer bestimmten Anzahl von Widerständen bei entsprechenden Windböen, also dem entsprechenden übersynchronen Betriebs den gewünschten, bzw. den notwendigen Widerstandswert erzeugen.
Unter Statoranschluss und Läuferanschluss ist dabei insbesondere ein elektrischer Anschluss zu verstehen, wie er in einer entsprechenden Einsatzsituation notwendig ist. Dies kann beispielsweise am Statoranschluss ein dreiphasiger Anschluss sein, welcher in Stern- oder in Dreieckschaltung geschaltet ist. Auf Läuferseite kann dies ebenfalls ein dreiphasiger oder aber auch ein zweiphasiger Anschluss sein, welcher den Wechselstrom von dem Läufer, insbesondere von dessen Wicklungen, an den Umrichter leitet. Der Anschluss für Gleichstrom auf der Gleichstromseite des Umrichters ist dementsprechend vorteilhafter Weise als zweiphasiger Anschluss zu ausgelegt.
Der Widerstand bei einem erfindungsgemäßen leistungselektronischen System kann dabei unterschiedlich ausgebildet sein. Es kann sich dabei um einen ohmschen Widerstand, um einen induktiven Widerstand oder auch um einen kapazitiven Widerstand handeln.
Es lässt sich zusammenfassen, dass bei einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystem somit darauf verzichtet wird zusätzliche Leistungen aus dem Läuferkreis in das Netz einzuspeisen. Mit anderen Worten wird zusätzliche Leistung nicht dem Netz zur Verfügung gestellt sondern quasi vernichtet. Erst durch diesen Schritt, also durch die Akzeptanz der Vernichtung von erzeugter Leistung, wird jedoch die besonders einfache Konstruktionsweise eines erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystems möglich. Insbesondere kann durch die, auf diese Weise mögliche Isolation vom Netz des Läuferkreises, der Läuferkreis deutlich einfacher ausgestaltet werden, insbesondere auf den zweiten Umrichter, also den Wechselrichter zum Netz hin, verzichtet werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn der zumindest eine Widerstand ein variabler Widerstand ist, dessen Widerstandswert veränderbar ist. Der Widerstandswert, üblicherweise angegeben mit der Einheit Ohm [Ω], ist dabei insbesondere von Null bis zu einem Maximalwert variabel. Die Variabilität kann dabei stufenweise oder im Wesentlichen kontinuierlich erfolgen. Eine stufenweise Variabilität eines einzelnen Widerstandes kann auch durch die Aneinanderschaltung mehrerer Widerstände, insbesondere deren Parallelschaltung und separate Ein- und Ausschaltmöglichkeit, erzielt werden. Die Variabilität des Widerstandes hat zur Folge, dass eine spezifischere Reaktion des leistungselektronischen Systems auf die entsprechende Windböe erfolgen kann. Je größer die Windböe ist, desto stärker wird die Beschleunigung der Rotorblätter und dementsprechend desto höher die Drehzahl des Läufers im Asynchrongenerator werden. Damit wird auch die Leistung je nach Stärke der Windböe Innenwicklungen des Läufers entsprechend stark ansteigen. Je stärker die Leistung ansteigt desto stärker, also desto größer kann der Widerstandswert bei einem variablen Widerstand eingestellt werden, sodass sich der Widerstand, insbesondere proportional zur Stärke der Windböe und der damit einhergehenden Erhöhung der Drehzahl des Läufers, anpasst. Die über den Widerstand abgeführte, also vernichtete zusätzliche Leistung des Läufers passt sich demnach automatisch oder gezielt gesteuert, beziehungsweise geregelt an die entsprechende Stärke der Windböe an. Die Flexibilität eines derart ausgestatteten Asynchrongeneratorsystems verstärkt sich somit.
Weiter kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystem dem Umrichter nachgeschaltet eine Gleichspannungsmessvorrichtung vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, dass damit die dem Umrichter nachgeschaltet vorliegende Gleichspannung gemessen werden kann. Eine solche Gleichspannungsmessvorrichtung dient also dazu, die entstehende Spannung an den Ausgängen des Umrichters auf Gleichstromseite zu messen. Diese Spannung steht in direkter Korrelation mit dem entsprechenden Strom, beziehungsweise mit der erzeugten Leistung in den Wicklungen des Läufers. Steigt also die erzeugte Leistung an, beziehungsweise nimmt die Drehzahl des Läufers und damit die Übersynchronizität des Läufers im Asynchrongenerator zu, so wird auch die gemessene Spannung in dem Gleichstromkreis, also die gemessene Gleichspannung nach dem Umrichter ansteigen.
Die Gleichspannungsmessvorrichtung dient also dazu einen Wert zu ermitteln, welcher direkt die Spannung auf Gleichstromseite des Umrichters wiedergibt, und indirekt eine Information über die Synchronizität, beziehungsweise die Stärke der Übersynchronizität des Läufers des Asynchrongenerators enthält. Eine solche Information kann insbesondere an eine Steuervorrichtung weitergeleitet werden und entweder zur Steuerung oder zur Regelung oder aber auch nur zur Anzeige dieser Information, bzw. der Situation verwendet werden. Insbesondere ist dies sinnvoll, wenn ein variabler Widerstand, wie er voranstehend erläutert worden ist, verwendet wird. So kann der voranstehend ermittelte Gleichspannungswert auf der Gleichspannungsseite des Umrichters dazu verwendet werden, die Steuerung beziehungsweise Regelung der Variation des Widerstandswerts des variablen Widerstands des leistungselektronischen Systems zu steuern.
Demnach ist es sinnvoll, wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Widerstandssteuervorrichtung vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, dass die von der Gleichspannungsmessvorrichtung gemessene Gleichspannung ausgewertet werden kann. In Abhängigkeit von dieser Auswertung wird der Widerstandswert des zumindest einen Widerstands variiert. Dabei kann der Widerstandswert auch von einer Summe von Widerständen, welche insbesondere parallel geschaltet sind, variiert werden. Mit anderen Worten ist es möglich ausgehend von der gemessenen Gleichspannung entweder eine definierte Anzahl von parallel geschalteten Widerständen ein-, beziehungsweise auszuschalten, oder einen variablen Widerstand derart einzustellen, dass der gewünschte Widerstandswert entsteht. Auf diese Weise ist es also möglich eine Regelschleife vorzusehen, welche zwischen dem Eingangswert der Gleichspannung und dem Ausgangswert des eingestellten Widerstands liegt. Der eingehende Wert der Gleichspannung stellt dabei eine Aussage die Übersynchronizität des Läufers im Asynchrongenerator dar, während der Ausgangswert des Widerstandswertes die entsprechende Abpufferung der dadurch erzeugten Leistung im Läuferkreis beinhaltet. Die Regelung erfolgt also zur Abpufferung von schnellen Windböen ohne das ein Pitchen der Rotorblätter einer Windturbine erforderlich ist.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystems dem Umrichter mit Bezug auf den Läuferanschluss nachgeschaltet zumindest eine Gleichstromquelle vorgesehen ist. Diese Gleichstromquelle kann den Läufer über den Umrichter mit Leistung versorgen. Die Leistungsversorgung erfolgt in diesem Fall von Gleichstromseite des Umrichters zur Wechselstromseite also in Richtung des Läufers, bzw. des Läuferanschlusses. In diesem Fall arbeitet der Umrichter also als Wechselrichter. Eine solche Situation wird insbesondere dann eintreten, wenn der Läufer des Asynchrongenerators sich im untersynchronen Betrieb befindet. In einem solchen Fall läuft der Läufer also langsamer, als das entsprechende elektrisch induzierte Magnetfeld auf der Statorseite des Asynchrongenerators. Die Gleichstromquelle unterstützt somit insbesondere im untersynchronen Betrieb des Läufers denselben.
Darüber hinaus kann die Gleichstromquelle auch für den Startvorgang des Asynchrongeneratorsystems verwendet werden. Bei Asynchrongeneratoren ist es notwendig, dass eine Magnetisierung insbesondere des Stators, also des Felderregung erfolgt. Diese wird üblicherweise durch den Abzug von Blindleistung aus dem Netz gewährleistet. Da jedoch Abzug von Blindleistung aus dem Netz von den Netzbetreibern unerwünscht ist, kann im vorliegenden Fall durch das Vorsehen einer Gleichstromquelle diese Felderregung gewährleistet werden, ohne dass Blindleistung aus dem Netz abgezogen wird. Auf diese Weise wird über die Gleichstromquelle Leistung zur Verfügung gestellt, welche zur Erregung des Feldes im Asynchrongenerator ausreichend ist. Erst wenn der Rotor der Windturbine eine ausreichende Geschwindigkeit erreicht hat, insbesondere die Drehzahl des Rotors und damit auch die Drehzahl des Läufers im Asynchrongenerator auf einem Wert sind, welcher mit den geforderten Netzbedingungen übereinstimmt, wird der Asynchrongenerator mit dem Netz verbunden. Bis dahin kann jegliche Unterstützung des Läufers wie auch des Stators insbesondere die notwendige Felderregung aus der Gleichstromquelle gespeist werden. Im Vergleich zu bekannten Windturbinen kann damit auf zusätzliche elektronische Bauteile, insbesondere auf einen Softstarter für den Asynchrongenerator verzichtet werden. Der Anlaufvorgang und die dafür notwendigen Komponenten sind somit einfacher und damit kostengünstiger im Vergleich zu den bekannten Systemen.
Es kann vorteilhaft sein, wenn es sich bei einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystem bei der Gleichstromquelle um einen Gleichstromspeicher handelt. Die Speicherung von Gleichstrom kann dabei in unterschiedlicher Weise erfolgen. So ist es möglich, dass eine klassische Batterie, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie vorgesehen ist. Auch das Vorsehen kapazitiver Speicherung, also beispielsweise in Form von Kondensatoren, ist für den Gleichstromspeicher denkbar. Die Gleichstromquelle in Form eines Gleichstromspeichers hat den Vorteil, dass die Isolation vom Netz noch einfacher ermöglicht ist. Während sonst bei einer Gleichstromquelle möglicherweise andere Stromquellen notwendig sind, ist bei einer Gleichstromspeicherung eine einfache Trennung von zusätzlichen Speichernetzen ohne Weiteres möglich.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystem die Gleichstromquelle in Form eines Gleichstromspeichers unabhängig vom Netz aufgeladen werden kann. Das Aufladen erfolgt somit genauso wie die Ausbildung des leistungselektronischen Systems vollständig isoliert, also getrennt vom Netz. Dabei kann das Aufladen beispielsweise direkt durch die vom Läufer erzeugte Energie erfolgen. Wie weiter oben bereits erläutert, wird von dem Läufer im übersynchronen Betrieb zusätzliche Leistung in den Läuferkreis eingespeist. Diese wird in Form von Leistung über den Umrichter umgerichtet, sodass ein Stromfluss auf Gleichstromseite des Umrichters erzeugt wird. Dieser kann zum Aufladen der Batterie verwendet werden. Mit anderen Worten hat diese Ausführungsform den weiteren Vorteil, dass im übersynchronen Betrieb nicht jegliche Leistung ausschließlich über die Widerstände vernichtet wird, sondern teilweise, insbesondere bis zum vollständigen Ladezustand der Batterie, in dieser gespeichert wird. Auch die Aufladung über separate Mittel, wie beispielsweise Photovoltaik, also kleine Solarpanel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Insbesondere die Kombination von regenerativen Energien, also das Anordnen von Solarpanel, beispielsweise auf der Kanzel einer Windturbine zum Aufladen der Batterie kann dabei vorteilhaft sein. Wesentlich ist, dass bei allen Ausführungsformen die Unabhängigkeit des Läuferkreises vom Netz, also dessen elektrische Isolation erhalten bleibt.
Weiter kann es bei einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystem vorteilhaft sein, wenn zumindest eine der dem Läuferanschluss nachgeschalteten elektronischen Komponenten in den Läufer integriert ist. Das bedeutet also, dass zumindest eine der nachgeschalteten elektronischen Komponenten Teil des Läufers ist, also mit rotiert. Insbesondere Ausführungsformen, die keine Gleichstromquelle, also insbesondere keine Batterie aufweisen, sind hier vorteilhafterweise vorzusehen. Der große Vorteil einer solchen Integration ist es, dass auf elektrische Kontaktierung des rotierenden Läufers mit nicht-rotierenden Bauteilen, also den nicht-rotierenden elektrischen Bauteilen, über dann notwendige Schleifringe verzichtet werden kann. Der Verzicht auf Schleifringe hat den Vorteil, dass die Wartungsfreiheit, beziehungsweise die Wartungsarmut eines derartigen Asynchrongeneratorsystems deutlich ansteigt. Dies wird jedoch mit einer Erhöhung des notwendigen Bauvolumens für das Asynchrongeneratorsystem, insbesondere des Läufers ermöglicht. So wird zwar der Läufer vergrößert, die Wartungsfreiheit, beziehungsweise die Wartungsarmut eines solchen Asynchrongeneratorsystems jedoch erhöht. Insbesondere bei schwer zugänglichen Einsatzgebieten der Windturbine, wie beispielweise bei sogenannten Off-shore Anlagen auf hoher See ist Wartungsfreiheit, bzw. Wartungsarmut ein sehr großer Vorteil.
Auch kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystem zwischen dem Umrichter und dem Läuferanschluss eine Frequenzmessvorrichtung vorgesehen ist, die mit einem Pulsweitenmodulator regelungstechnisch verbunden ist, der dem Umrichter Pulsweiten vorgeben kann. Mit anderen Worten wird auf diese Weise die entsprechende Wechselspannungsfrequenz auf der Wechselstromseite des Umrichters gemessen. Durch das Vorgeben von vordefinierten Pulsweiten durch einen Pulsweitenmodulator kann in Abhängigkeit von der gemessenen Frequenz eben diese beeinflusst werden.
Insbesondere im Anlaufbetrieb, beziehungsweise im untersynchronen Betrieb des Läufers, also in einem Betrieb, in welchem der Umrichter als Wechselrichter fungiert und von der Stromquelle vorzugsweise Strom, also Leistung zur Verfügung gestellt wird, kann auf diese Weise eine definierte Unterstützung des Läufers, also bei definierten Frequenzbedingungen erfolgen. Das Vorsehen einer Regelungsstrecke zwischen Frequenzmessvorrichtung und Pulsweitenmodulator mit Verbindung zum Umrichter hat also den Vorteil, dass die Unterstützung des Läufers im Anlaufbetrieb wie auch im untersynchronen Betrieb verbessert erfolgen kann.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Windturbine mit einem erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystem, sowie einem Rotor, der mit dem Läufer des Asynchrongenerators drehmomentschlüssig gekoppelt ist. Der Stator des Asynchrongenerators ist in der Windturbine mit Bezug auf den Läufer des Asynchrongenerators drehfest gelagert. Der Rotor der Windturbine weist dabei mehrere Rotorblätter auf, die um eine gemeinsame Rotorachse angeordnet sind, und die als Angriffsfläche für den Wind dienen. Die einzelnen Rotorblätter versetzen den gesamten Rotor um dessen Lagerachse und damit auch die Rotorwelle in Rotation. Die drehmomentschlüssige Koppelung der Rotorwelle des Rotors, also des Rotors mit dem Läufer des Asynchrongenerators kann sowohl direkt, als auch indirekt erfolgen. Häufig werden indirekte Koppelungen bevorzugt, da auf diese Weise Getriebe eingesetzt werden können, die eine Drehzahlmodulation zwischen der Drehzahl des Rotors und der gewünschten Drehzahl des Läufers durchführen können. Solche Getriebe können sowohl schaltbar, also variierbar sein, aber auch feste Getriebe sein.
Besonders einfache Ausgestaltungen werden feste Getriebeübersetzungen verwenden, um eine Schaltung des Getriebes entbehrlich zu machen. Insbesondere durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystems kann auf eine Schaltung des Getriebes verzichtet werden, da in gewissen Bereichen die Drehzahl durch das Vorsehen des Widerstandes im leistungselektronischen System des Asynchrongeneratorsystems die Drehzahl des Läufers ausreichend beeinflusst werden kann. Auch weitere mechanische Einbauten in der drehmomentschlüssigen Koppelung des Rotors mit dem Läufer sind denkbar. So ist es möglich, dass Kupplungen vorgesehen sind, welches ein vollständiges Ankuppeln und Entkuppeln des Rotors mit dem Läufer des Asynchrongenerators ermöglichen. Die Vorteile einer erfindungsgemäßen Windturbine sind durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystems mit den zu diesem bereits beschriebenen Vorteilen identisch.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für den Betrieb einer Windturbine wie voranstehend beschrieben. Dabei wird im Fall einer Unterspannung im angeschlossenen Netz das Asynchrongeneratorsystem der Windturbine das Netz durch Einspeisung von Blindleistung unterstützen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zusätzliche Kondensatorbänke, insbesondere kleine Kondensatorbänke eine solche Blindleistungsunterstützung auf Statorseite, also im Bereich des Statoranschlusses des Stators des Asynchrongenerators, durchführen. Darüber hinaus ist sichergestellt, dass in einem solchen Fall die Wundturbine, insbesondere der Asynchrongenerator keine Blindleistung aus dem Netz zieht und das Netz damit zusätzlich schwächen würde. Dies kann insbesondere dadurch gewährleistet werden, dass eine Gleichstromquelle vorgesehen ist, die in einem solchen Fall die Felderregung im Asynchrongenerator durchführt und damit eigene Blindleistung zur Verfügung stellt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Anfahren einer Windturbine gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wird nach dem Anlaufen des Rotors der Windturbine und damit auch des Läufers des Asynchrongenerators auf eine vordefinierte Drehzahl, der zumindest eine Widerstand zur Begrenzung des Stroms zugeschaltet. Anschließend wird die Verbindung der Wickelungen des Stators über den Statoranschluss ans Netz durchgeführt. Nachfolgend kann insbesondere der Widerstand wieder reduziert werden. Über den Widerstand kann, wie bereits ausführlich erläutert, die Drehzahl des Läufers in Grenzen beeinflusst werden. Insbesondere kann auf diese Weise der Zustand der Übersynchronizität beeinflusst werden. Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann insbesondere auf einen Softstarter, beziehungsweise einen Bypass-Schütz verzichtet werden, da über den Widerstand die Anlaufströme im Läufer wie auch im Stator begrenzt werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Asynchrongeneratorsystem zum drehzahlvariablen Betrieb und zur gesteuerten Leistungsabgabe einer Windturbine. Insbesondere für den Einsatz in Windturbinen sind Asynchrongeneratoren bekannt, die bislang vorzugsweise als direkt netzgekoppelte Asynchrongeneratoren und als doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren (DFIG) Verwendung finden.
Nachteilig bei diesen Systemen haben sich unter anderem die systembedingten harmonischen Frequenzen im Läuferstrom erwiesen, die störende Rückwirkungen auf das mit Wechselspannung öffentliche Versorgungsnetz verursachen und zu unerwünschtem Leistungspendeln auf der Netzseite führen können. Ebenso bekannt ist die Problematik des Blindleistungsbezugs aus dem Netz, wie es beispielsweise bei direkt netzgekoppelten Asynchronmaschinen der Fall ist. Dieser Blindleistungsbezug ist jedoch bei den Energieversorgern unerwünscht. Aus diesem Grund arbeitet eine Vielzahl von Windturbinen nach dem sog. „Dänischen Prinzip”, das zur Kompensation des Blindleistungsbedarfs, also für die spezielle Erregung der Generatoren, in einer Windturbine aufwendige leistungselektronische Systeme vorsieht.
Es ist weiterhin von Vorteil, die Drehzahl einer Windturbine in Abhängigkeit von der ankommenden Windmenge steuern zu können, wobei die Frequenz der erzeugten elektrischen Energie im Wesentlichen konstant ist.
Eine bekannte Lösung, insbesondere für Asynchronmaschinen, ist dabei ein Konzept, bei dem ein veränderlicher Widerstand im Läuferkreis des Generators einen kurzzeitigen Drehzahlanstieg oder -abfall erlaubt. Völlige Drehzahlvariabilität einer Asynchronmaschine wird mit einer doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren (DFIG) erreicht, wobei der Läufer über einen Gleichspannungskreis und zwei Umrichtern mit dem Versorgungsnetz verbunden ist. Dabei ergibt u. a. sich der Nachteil, dass diese Umrichtersysteme teuer und fehleranfällig sind und zudem durch das Erzeugen von harmonischen Frequenzen störende Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz verursachen können.
Die vorliegende Erfindung soll die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile von Asynchrongeneratoren in Windturbinen vermeiden, und, insbesondere die Systeme gemäß dem o. g. Typ DFIG und dem obig beschriebenen Konzept vorteilhaft weiterbilden. Eines der wesentlichen Ziele der Erfindung besteht darin, die ins Netz gespeiste Wirk- und Blindleistung zu regeln und u. a. erhöhte Variabilität der Läuferdrehzahl zu erreichen.
Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb ein Asynchrongeneratorsystem mit einem Läufer und einem dem Läufer umgebenden Stator vor, wobei zudem ein leistungselektronisches System im Läuferkreis derart vorgesehen ist, so dass darin ein variabler Widerstand, insbesondere ohmscher, induktiver und/oder kapazitiver Natur abgebildet wird. Dadurch wird das Generatorsystem in die Lage versetzt, die vom Generator benötigte Blindleistung zur Verfügung zu stellen. Das leistungselektronische System, das als Umrichter funktionieren kann, kann dabei als IGBT-Brücke (1), wie in 1 dargestellt, ausgebildet sein, die einen Gleichspannungskreis (2) und einen Chopper aufweist. Die IGBT-Brücke (1) ersetzt die in ähnlichen Generatorsystemen bislang eingesetzten Dioden-Schaltungen auf vorteilhafte Weise. Für die Blindleistungskompensation zur Erzielung einer entsprechenden Magnetisierung für die Erregung des Generators kann deshalb in der beschriebenen Ausführungsform auf aufwendige leistungselektronischen Schaltungen, die Kondensatoren zur Erzeugung eines entsprechenden Magnetflusses im Ständer einsetzen und wie dies bislang in kondensatorerregten Generatorensystemen aus dem Stand der Technik üblich war, verzichtet werden.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, dass eine Energieerzeugung nur im übersynchronen Betrieb, dem Generatorbetrieb, stattfindet. Dadurch lässt sich der mögliche Drehzahlbereich über den Schlupf und damit auch der Leistungsfaktor der Anlage, bei welchem das System gefahren werden kann, in Abhängigkeit von einer jeweils aufgeschalteten Last einstellen. Dies ist insbesondere bei stark veränderlichen Windverhältnissen von Vorteil, da es unter anderem eine angepasste Leistungsproduktion ermöglicht und darüber hinaus die Anlagenkomponenten vor Überbeanspruchung schont.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Generatorensystems kann die Speisung der Verluste durch die Blindleistungskompensation aus der überschüssigen Läuferenergie erfolgen. Als weiterer Vorteil für das erfindungsgemäße Generatorsystem ist zu nennen, dass es die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht, einen Einschaltvorgang durch einen Synchronisationsvorgang in einer Art zu realisieren, die einem Synchrongenerator entspricht. Auf diese Weise ist ein sanftes Aufschalten des Systems an das Netz gewährleistet. Außerdem entfallen damit die üblicherweise eingesetzten Softstarter und das zugehörige Bypass-Schütz.
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungsfiguren. Die dabei verwendeten Begrifflichkeiten „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich dabei auf eine Ausrichtung der Figuren mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:
1 Das Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystems;
2 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windturbine;
3 Ein schematisches Diagramm im Fall der Abpufferung einer Windböe;
In 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Asynchrongeneratorsystems 10 dargestellt. Im Zentrum dieses Asynchrongeneratorsystems 10 ist ein Asynchrongenerator 20 vorgesehen, der einen Stator 30 und einen Rotor 40 aufweist. Auf Statorseite des Stators 30 ist ein dreiphasiger Statoranschluss 32 vorgesehen. Dieser Statoranschluss 32 dient zur Verbindung des Stators 30 mit dem Netz 200. Darüber hinaus sind über drei Widerstände alle drei Phasen mit einer kleinen Kondensatorbank verbunden, sodass im Falle einer Netzschwankung, also eines Absackens der Netzspannung, beispielsweise im LVRT-Fall (Low voltage ride through), das Netz aus diesem Kondensator heraus unterstützt werden kann.
Auf Läuferseite des Asynchrongenerators 20 ist ein Läuferanschluss 42, ebenfalls dreiphasig vorgesehen. Die drei Phasen des Läuferanschlusses 42 sind mit einem Umrichter 52 verbunden, welcher als sogenannte IGBT-Brücke (Insulated-gate bipolar transistor), ausgebildet ist. Für den Fall, dass der Asynchrongenerator 20 im übersynchronen Betrieb läuft, wird Leistung im Läufer 40 erzeugt, welche über den Läuferanschluss 42 dem Umrichter 52 zur Verfügung gestellt wird. Der ankommende Wechselstrom wird im Umrichter 42 gleichgerichtet und an dessen Gleichstromseite dem Gleichstromkreis zur Verfügung gestellt. Der Gleichstrom auf der in 1 rechten Seite des Umrichters 52 durchläuft in diesem Fall zwei Widerstände 54, welche zur Abpufferung der Überleistung im übersynchronen Betrieb des Läufers 40 dienen.
Darüber hinaus ist bei der Ausführungsform der 2 zu erkennen, dass zwischen dem Läuferanschluss 42 und dem Umrichter 52 eine Frequenzmessvorrichtung 62 vorgesehen ist. Diese Frequenzmessvorrichtung 62 ist über eine Kontrolleinheit mit einem Pulsweitenmodulator 64 verbunden. Dieser Pulsweitenmodulator 64 wiederum kann Pulssignale an den Umrichter 52 senden, sodass dieser im Wechselrichterbetrieb, also in einem Betrieb, in welchem Leistung dem Läufer 40 zur Verfügung gestellt werden muss, die entsprechende Pulsweite und damit die entsprechende Frequenz des erzeugten Wechselstroms moduliert werden kann. Dieser Betrieb ist insbesondere dann vorhanden, wenn die ebenfalls im Gleichstromkreis rechts vom Umrichter 52 vorgesehene Stromquelle 60 zum Einsatz kommt. Die Gleichstromquelle 60 ist dabei bei vorliegender Ausführungsform entweder als Kondensator oder als Batterie ausgeführt. Diese Batterie kann insbesondere durch die Überleistung im Falle eines übersynchronen Betriebs des Läufers 40 im Gleichstromkreis rechts vom Umrichter 52 von dieser Überleistung aufgeladen werden.
Wie aus 1 gut zu erkennen ist, handelt es sich beim Läuferkreis, also insbesondere bei grundlegenden Korrelation aus Läuferanschluss 42, Frequenzmessvorrichtung 62, Umrichter 52 und Widerständen 54 sowie Batterie, also Gleichstromquelle 60, um ein in sich geschlossenes Stromsystem, welches insbesondere vom Netz 200 vollständig elektrisch isoliert ist. Durch diese elektrische Isolation ist es möglich, den Läuferkreis besonders einfach auszuführen, insbesondere auf die sonst notwendigen Anschlussbauteile an das Netz 200 zu verzichten.
Weiter ist im Läuferkreis rechts vom Umrichter 52, also in dessen Gleichstromseite, eine Gleichspannungsmessvorrichtung 56 vorgesehen. Diese ist wiederum mit einer Widerstandssteuervorrichtung 58 verbunden, welche über eine Signalverbindung die variablen Widerstände 54, beziehungsweise den einen variablen Widerstand der beiden Widerstände 54 hinsichtlich seines Widerstandswerts variieren kann. Da, wie ausführlich erläutert, die gemessene Gleichstromspannung der Gleichspannungsmessvorrichtung 56 eine Aussage über den Übersynchronizitätszustand des Läufers 40 des Asynchrongenerators 20 enthält, kann auf diese Weise die notwendige Leistungsabpufferung durch den Widerstand 54 und der damit notwendig werdende Widerstandswert ermittelt werden. Über die Rückkopplung der Messung der Gleichstromspannung mit der Einstellung der Variation des Widerstands 54 wird somit eine variable Abpufferung der Leistung, abhängig von dem entsprechenden Übersynchronizitätszustand des Läufers 40 im Asynchrongenerator 20 erreicht.
2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Windturbine 100. Die Windturbine 100 weist einen Rotor 110 auf, welcher schematisch dargestellt ist. Die Rotorwelle des Rotors 110 führt ins Innere einer Kanzel der Windturbine 100, in welchem das Asynchrongeneratorsystem 10 der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Schematisch dargestellt sind beim Asynchrongeneratorsystem 10 der Asynchrongenerator 20 sowie das leistungselektronische System 50. Die Verbindung zwischen diesen beiden ist über den Läuferanschluss 42 am Läufer 40 erfolgt. Das leistungselektronische System 50 kann dabei beispielsweise derart ausgeführt sein, wie es in der Ausführungsform der 1 erläutert worden ist. Darüber hinaus ist am Stator 30 des Asynchrongenerators 20 ein Statoranschluss 32 vorgesehen, welcher über eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Netz 200 verbunden ist. Über diese elektrisch leitende Verbindung wird Leistung dem Netz zur Verfügung gestellt, also in dieses eingespeist.
Auch der 2 ist sehr gut zu entnehmen, dass es sich bei dem leistungselektronischen System 50 um ein vollständig vom Netz 200 isoliertes System handelt. Diese Ansammlung elektronischer Komponenten im leistungselektronischen System 50 ist also separat vom Netz 200 und dementsprechend besonders einfach und damit kostengünstig ausführbar.
Mit Bezug auf 3 soll kurz die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Systems 50 erläutert werden. Dabei sind in einem Diagramm an der Y-Achse die Läuferleistung und damit indirekt auch die Läuferdrehzahl dargestellt. Auf der X-Achse ist eine Entwicklung der Läuferleistung über die Zeit dargestellt. Die Läuferleistung ist dabei im grundsätzlichen Betrieb entweder größer und kleiner Null. Sofern die Leistung größer Null ist, also im Läufer Leistung erzeugt wird, handelt es sich um den übersynchronen Betrieb, also um einen Betrieb, in welchem der Läufer schneller läuft, also eine höhere Drehzahl aufweist, als dies für das induzierte Magnetfeld im Stator der Fall ist. In diesem übersynchronen Betrieb wird Leistung im Läufer erzeugt.
Für den Fall, dass den Rotor 110 einer Windturbine 100, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt ist, eine Windböe trifft nimmt nicht nur die Rotordrehzahl des Rotors 110 der Windturbine 100 zu, sondern damit auch die über ein Getriebe gekoppelte Drehzahl des Läufers 40 des Asynchrongenerators 20. Die damit zusammenhängende Läuferleistung steigt ebenfalls an, wie dies im rechten Teil entlang der Zeitachse in 3 zu erkennen ist. Die Böe resultiert also in einem Anstieg der Läuferleistung und damit in einem Anstieg der Drehzahl, was wiederum in einer Reduktion des Wirkungsgrades hinsichtlich der Leistung auf Statorseite des Asynchrongenerators 20 resultiert. Um dies zu verhindern wird ab einem bestimmten Anstieg der Läuferleistung der Widerstand 54 eingeschaltet, beziehungsweise die Variation des Widerstandes 54 an den Anstieg der Läuferleistung angepasst. Mit anderen Worten wird in 3, die Läuferleistung durch die Vernichtung der Energie, beispielsweise über die Erwärmung der Widerstände, sozusagen gekappt. Der eigentliche Verlauf der Läuferleistung im Fall der Böe ohne Widerstand 54 ist daher gestrichelt in 3 dargestellt, während der tatsächliche Verlauf durch die Kappung im Wesentlichen entlang einer Parallele zur Zeitachse während der Böe verläuft. Ist die Böe kurz genug, wie dies in der Situation, wie sie in 3 dargestellt ist der Fall ist, so muss kein mechanisches Pitchen oder Anstellen der Rotorblätter des Rotors 110 der Windturbine 100 erfolgen. Vielmehr reicht es aus, wenn in einem solchen Fall eine Kurzzeitpufferung durch die Widerstände 54 des leistungselektronischen Systems 100 erfolgt.
Weiterhin weist das Generatorsystem, wie die 1 zeigt, im Läuferkreis einen oder mehrere Widerstände 54 auf. Diese können in der beschriebenen Ausführungsform als gewöhnlicher Lastwiderstand mit einem ansteuerbaren Widerstand wie beispielsweise in Form eines IGBT-Bauelements ausgeführt sein. Der oder die Widerstände 54 können – je nach Last – in ihrem Wert veränderlich sein und haben unter anderem die Aufgabe, eine läuferseitige Leistung abzuführen. Hierbei unterscheidet sich das erfindungsgemäße System von Systemen aus dem Stand der Technik, die diese System Leistung über einen zweiten, netzseitig angeschlossenen Umrichter, insbesondere über einen ansteuerbarer Wechselrichter, an das Netz zurückführen. Dieser Umrichter kann bei der vorliegenden Erfindung eingespart werden, so dass die Herstellungskosten gesenkt werden können. Es kann also explizit auf einen zweiten Umrichter verzichtet werden, wodurch mit Hilfe der ansteuerbaren Widerstände 54 und der IGBT-Brücke das Konzept der doppelt gespeisten Asynchronmaschine (DIFG) sozusagen simuliert wird. Darüber hinaus werden durch das erfindungsgemäße System Leistungspendelungen des Generators 20 und harmonische Frequenzen (Schwingungen) in den Läuferströmen reduziert, die sich negativ auf das an das Generatorsystem 20 angeschlossene Versorgungsnetz 200 auswirken.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Schaltung eine Batterie 60 auf. Die Batterie 60 hat unter anderem die Aufgabe, Leistung an das System 10 abzugeben, insbesondere zur Speisung des Läufers 40 der Anlage mit Energie, wenn die Netzspannung abfallen sollte. Die Batterie 60 kann dabei auch so ausgebildet sein, dass diese sich selbsttätig auflädt, wenn eine entsprechende Versorgungsspannung beispielsweise durch eine an der Batterie 60 angeschlossene Energiequelle bereitgestellt wird.
In der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung nach 1 ist außerdem eine Kontroll- und Steuerungseinheit vorhanden, die entsprechende Signale des Generators 20, wie beispielsweise eine Frequenz/Drehzahl, einer Messeinheit 62 die den aktuellen Wert eines Läuferstroms erfasst und einer Leistungsmesseinheit zur Erfassung eines Schein- und Blindleistungsanteils oder Leistungsfaktors, als Eingangsgrößen verarbeitet und ein Ausgangssignal erzeugt. Dieses Ausgangssignal wird einer angeschlossenen Pulsweitenmodulatoreinheit PWM 64 zugeführt, um Pulssignale zu generieren. Diese Pulssignale werden in das leistungselektronische System 50 eingespeist, um dessen Verhalten in Abhängigkeit des Betriebsverhaltens des Generatorsystems 10 zu steuern. Darüber hinaus umfasst die erfindungsgemäße Schaltung im Gleichspannungskreis eine Spannungsmesseinheit 56 und eine Mess- und Steuerungseinheit 58 zur Erfassung und Regelung einer Gleichspannung, um den Widerstand 54 im Läuferkreis regeln zu können. Die dargestellte Ausführungsform der Erfindung bildet auf diese Weise ein rückgekoppeltes Regelungssystem ab, das es unter anderem ermöglicht, die Blindleistung entsprechend der Anforderungen an das Betriebsverhalten der Maschine bei variablen Belastungen zu regeln und einzustellen, die insbesondere bei sich veränderlichen Windbedingungen im Umfeld der Windturbine 100 auftreten können.
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Ausführungsbeispiele. Diese können selbstverständlich insbesondere hinsichtlich einzelner Komponenten sofern technisch sinnvoll frei miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

10: Asynchrongeneratorsystem
20: Asynchrongenerator
30: Stator
32: Statoranschluss
40: Läufer
42: Läuferanschluss
50: leistungselektronisches System
52: Umrichter
54: Widerstand
56: Gleichspannungsmessvorrichtung
58: Widerstandssteuervorrichtung
60: Gleichstromquelle
62: Frequenzmessvorrichtung,
64: Pulsweitenmodulator
100: Windturbine
110: Rotor der Windturbine
200: Netz

Claims

Asynchrongeneratorsystem (10) für eine Windturbine () zur Erzeugung von Strom, der einem Netz (200) zur Verfügung gestellt wird, – wobei ein Asynchrongenerator (20) mit einem Stator (30) und einem Läufer (40) vorgesehen ist, aufweisend – einen Statoranschluss (32) zur elektrisch leitenden Verbindung von Wicklungen des Stators (30) mit dem Netz (200) und – einen Läuferanschluss (42) zur elektrisch leitenden Verbindung von Wicklungen des Läufers (40) mit einem leistungselektronischen System (50), – wobei das leistungselektronische System (50) vom Netz (200) elektrisch isoliert ist und einen Umrichter (52) aufweist, der einen in den Läuferwicklungen erzeugten Strom umrichtet, und weiter zumindest ein Widerstand (54) vorgesehen ist, der dem Umrichter (52) mit Bezug auf den Läuferanschluss (42) nachgeschaltet ist.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Widerstand (54) ein variabler Widerstand ist, dessen Widerstandswert veränderbar ist.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umrichter (52) nachgeschaltet eine Gleichspannungsmessvorrichtung (56) vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, dass damit die dem Umrichter (52) nachgeschaltete Gleichspannung gemessen werden kann.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Widerstandssteuervorrichtung (58) vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, dass sie die von der Gleichspannungsmessvorrichtung (56) gemessene Gleichspannung auswerten kann und in Abhängigkeit von dieser Auswertung den Widerstandswert des zumindest einen Widerstands (52) variiert.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umrichter (52) mit Bezug auf den Läuferanschluss (42) nachgeschaltet zumindest eine Gleichstromquelle (60) vorgesehen ist, die den Läufer (40) über den Umrichter (52) mit Leistung versorgen kann.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Gleichstromquelle (60) um einen Gleichstromspeicher handelt.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromquelle (60) in Form eines Gleichstromspeichers unabhängig vom Netz (200) aufgeladen werden kann.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der dem Läuferanschluss (42) nachgeschalteten elektronischen Komponenten in den Läufer (40) integriert sind.
Asynchrongeneratorsystem (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Umrichter (52) und dem Läuferanschluss (42) eine Frequenzmessvorrichtung (62) vorgesehen ist, die mit einem Pulsweitenmodulator (64) regelungstechnisch verbunden ist, der dem Umrichter (52) Pulsweiten vorgeben kann.
Windturbine (100) aufweisend eine Asynchrongeneratorsystem (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 und einen Rotor (110), der mit dem Läufer (40) des Asynchrongenerators (20) drehmomentschlüssig gekoppelt ist, wobei der Stator (30) des Asynchrongenerators (20) in der Windturbine (100) mit Bezug auf den Läufer (40) des Asynchrongenerators (20) drehfest gelagert ist.
Verfahren für den Betrieb eine Windturbine (100) mit den Merkmalen des Anspruchs 10, wobei im Fall der Unterspannung im angeschlossenen Netz (200), das Asynchrongeneratorsystem (10) der Windturbine (100) das Netz (200) durch Einspeisung von Blindleistung unterstützt.
Verfahren zum Anfahren einer Windturbine (100) mit den Merkmalen des Anspruchs 10, wobei nach dem Anlaufen des Rotors (110) der Windturbine (100) und damit auch des Läufers (40) des Asynchrongenerators (20) auf eine vordefinierte Drehzahl, der zumindest eine Widerstand (54) zur Begrenzung des Stroms zugeschaltet wird und anschließend die Verbindung der Wicklungen des Stators (30) über den Statoranschluss (32) ans Netz (200) erfolgt.