DE102011007037A1

DE102011007037A1 - Elektrische Stromerzeugungsanlage, insbesondere Windenergieanlage mit Synchrongenerator und Umrichter

Info

Publication number: DE102011007037A1
Application number: DE102011007037A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Matthes Peter Dr De
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-01-12

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Stromerzeugungsanlage, insbesondere einer Windenergieanlage, mit einem Synchrongenerator (5) und einem Umrichter (6), dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Regelung des Umrichters (6) einer oder mehrere der folgenden Betriebsmodi durchgeführt werden bzw. durchführbar sind: • Kapazitiver und induktiver Phasenschieberbetrieb • Einprägung von Oberschwingungen • Lastsymmetrierung • Nachweis der Einhaltung von technischen Netzanschlussregeln

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Stromerzeugungsanlage, insbesondere Windenergieanlage, sowie ein Verfahren zur Regelung und zum Betrieb der Anlage, wobei verschiedene ergänzende Betriebsmodi im Umrichter vorgesehen sind.
Stand der Technik:
Eine bekannte Anordnung bei Windenergieanlagen ist es, diese mit einem Synchrongenerator auszurüsten und diesen über einen Umrichter (z. B. Vier-Quadranten-Umrichter mit Gleichspannungszwischenkreis) an das Netz anzubinden.
1 zeigt das Prinzipschaltbild einer solchen Anordnung. Der Synchrongenerator (5) wird vom Rotor (1) angetrieben, wobei die Ankopplung direkt oder über ein Getriebe (3) erfolgen kann.
Der Generatorstrom wird über den generatorseitigen Wechselrichter (6a) gleichgerichtet und dann über den netzseitigen Wechselrichter (6c) ins Netz eingespeist. Die Einspeisung ins Netz kann 3phasig ohne Neutralleiter als auch mit Neutralleiter erfolgen.
Zur Netzstabilisierung sind Betriebsmodi der Windenergieanlagen wünschenswert und bekannt, die den gezielten Bezug oder die Einspeisung von Blindleistung ins Netz ermöglichen (Phasenschieberbetrieb).
Aus EP 1 895 158 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Synchrongenerator über eine Erregereinheit erregt wird und mit Hilfe dieser einstellbaren Erregung ein Phasenschieberbetrieb möglich ist. Der Synchrongenerator muss dazu immer mit dem Netz verbunden sein.
Aus EP 1 919 055 A2 ist ein Verfahren für eine Windenergieanlage bekannt, bei der eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine als Phasenschieber arbeitet. Die doppelt gespeiste Asynchronmaschine muss dazu immer mit dem Netz verbunden sein.
Aus DE 10 2008 018 748 A1 und DE 10 2007 017 870 A1 sind Verfahren bekannt, bei denen während des Betriebes der Windenergieanlage in Abhängigkeit der abgegebenen Leistung oder gemessener Spannungen eine zusätzliche Blindkomponente einstellbar ist.
Aus DE 103 60 462 A1 und DE 103 44 392 A1 sind Verfahren bekannt, bei denen während des Betriebs der Windenergieanlage Leistungsmessungen unter Berücksichtigung des Eigenverbrauchs und der Sicherheitsmindestleistung der Anlage erfolgen, in deren Ergebnis Sollwerte für Wirk- und Blindleistung errechnet werden.
Aus DE 10 2007 028 582 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches zur Einspeisung zusätzlicher Blindleistung ins Netz verwendet wird. Nachteilig an diesem Konzept ist es, dass die erwünschte Blindleistungseinspeisung nur erfolgt, wenn vom Generator keine oder nur eine unter einem bestimmten Schwellwert liegende Energie abgegeben wird. Durch spezielle Schalteinrichtungen muss dazu der parallele Betrieb des generator- und netzseitigen Wechselrichters am Netz bei gleichzeitiger Trennung des Generators erfolgen.
Darstellung der Erfindung:
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, solche und andere Betriebsmodi im Umrichter (6) zu realisieren. Dabei ist nicht erforderlich, aber möglich, den Synchrongenerator (5) mit dem Umrichter (6) zu verbinden. Es ist ebenfalls bei dem Verfahren nicht erforderlich, aber möglich, dass der generatorseitige Wechselrichter (6a) an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist. Damit ist ein weitgehend von den Betriebszuständen der Windenergieanlage unabhängiger Betrieb in diesen Modi möglich, was ein entscheidender Vorteil gegenüber den bekannten Verfahren ist.
Es ist darüber hinaus erfindungsgemäß auch nicht erforderlich, für die gewünschten Betriebsmodi den generatorseitigen Wechselrichter (6a) vom Synchrongenerator (5) zu trennen oder direkt ans Netz anzuschließen oder sonstige elektrische Verbindungen umzuschalten. Es ist hingegen erfindungsgemäßes Ziel, diese Betriebsmodi unabhängig von der durch den Generator abgegebenen Energie zu realisieren.
Zweckmäßigerweise wird dazu ein Regelverfahren angewandt, bei dem der netzseitige Wechselrichter (6c) den Gleichspannungszwischenkreis (6b) auf einen geeigneten Wert oberhalb des Scheitelwertes der anliegenden Netzspannung regelt. Dies hat den Vorteil, dass der netzseitige Wechselrichter auch unabhängig vom generatorseitigen Wechselrichter (6a) regeln kann.
Der generatorseitige Wechselrichter (6a) wird zweckmäßigerweise strom- oder leistungsgeregelt betrieben. Dies bedeutet, er erhält von einer Steuerungseinrichtung der Windenergieanlage einen Sollwert für die Leistung und damit den Strom. Dieser Strom wird gleichgerichtet und dann in den Gleichspannungszwischenkreis (6b) eingespeist.
Diese Energieeinspeisung würde an sich zu einer Erhöhung der Spannung im Gleichspannungszwischenkreis (6b) führen. Die in [012] beschriebene Regelung erkennt diese Situation und speist ihrerseits einen solchen Strom ins Netz ein, der den Zwischenkreis auf dem vorgegebenen Wert hält.
Eine exemplarische Ausführungsform einer solchen Regelung zeigt 2. In dieser Ausführungsform hat die netzseitige Regelung (20) die Aufgabe, den Gleichspannungszwischenkreis (6b) auf einem vorzugsweise konstanten Wert oberhalb des Scheitelwertes der anliegenden Netzspannung zu halten. Beispielhaft sei ein 690 V Netzanschluss genannt, was eine Regelung des Zwischenkreises auf 1100 V bedeuten könnte. Die netzseitige Regelung (20) benötigt dazu geeignete Messwerte (24), die mit geeigneten Einrichtungen erfasst und bearbeitet werden können (21). Typische Messwerte (24) der netzseitigen Regelung können sein:

– Momentanwert der anliegenden Netzspannung
– Gemessener Wert der Zwischenkreisspannung (6b)
– Ausgangsstrom des netzseitigen Wechselrichters
– Zusätzliche Netz- oder Lastströme

Die Regelung ermittelt aus diesen Messwerten die erforderlichen Ansteuersignale (23) für den netzseitigen Wechselrichter (6b), mit dem Ziel den netzseitigen Strom so zu regeln, dass der Wert der Zwischenkreisspannung auf dem vorgegebenen Sollwert verbleibt.
Die generatorseitige Regelung (10) in der beschriebenen exemplarischen Ausführung erhält typischerweise einen Leistungs- oder Drehmomentensollwert (34) von der überlagerten Betriebsführung in Abhängigkeit von den Betriebszuständen der Anlage. Dieser Sollwert wird geeignet vorgegeben und aufbereitet (30), was beispielsweise über einen beliebigen Feldbus, analoge Vorgabe oder eine andere geeignete Schnittstelle erfolgen kann. Die generatorseitige Regelung (10) erhält darüber hinaus geeignete Messwerte (14), die anschliessend erfasst und bearbeitet werden (11). Typische Messwerte (14) der generatorseitigen Regelung können sein:

– Momentanwert der Generatorspannung
– Drehzahl des Generators
– Strom des Generators

Die Regelung ermittelt aus diesen Messwerten die erforderlichen Ansteuersignale (13) für den generatorseitigen Wechselrichter (6a), mit dem Ziel den generatorseitigen Strom entsprechend der Sollwertvorgabe (34) zu regeln.
Je nach Ausführungsform der Regelung, ist es möglich, dass zusätzliche Messwerte oder Signale (40) zwischen den beiden Regelungen ausgetauscht werden. Es ist auch möglich, die Regelungen (10, 20) in einer gemeinsamen Regelung zusammen zu fassen. Auch ist es unerheblich, ob es einen oder mehrere Prozessoren oder Reglerbaugruppen zur Erfüllung dieser Aufgabe gibt.
Diese Regelung des Zwischenkreises funktioniert auch beim Bezug von Energie aus dem Netz, wenn beispielsweise der Synchrongenerator in einem Einricht-Betrieb als Motor betrieben wird.
Für einen Einrichtbetrieb des Synchrongenerators können der Regelung (10) zusätzliche Steuersignale und Sollwerte (34) vorgegeben werden. Die Regelung (10) umfasst in diesem Fall eine zusätzliche Drehzahlregelung des Synchrongenerators, womit ein Drehen des Rotors zum Einrichten möglich wird.
Erfindungsgemäß wird die Regelung des netzseitigen Wechselrichters (6c) ergänzt um die Möglichkeit Blindströme ins Netz einzuspeisen oder aus dem Netz zu beziehen. Damit ist es möglich, den Umrichter (6) als Phasenschieber zu betreiben. Es ist sowohl induktiver als auch kapazitiver Phasenschieberbetrieb möglich. Vorteilhafterweise erfolgt diese Blindstromvorgabe unabhängig vom Betriebszustand der Windenergieanlage, also auch bei Windstille oder bei von der Welle getrenntem Rotor. Der Synchrongenerator muss nicht in Betrieb sein. Die Sollwertvorgabe erfolgt von extern, beispielsweise über ein Leitwarte des Netzbetreibers.
Diese Blindstromvorgabe kann im laufenden Betrieb stufenlos erfolgen. Ein Beeinflussung des sonstigen Energieflusses erfolgt nicht. Ebenso ist kein Eingriff in die sonstige Regelung der Anlage erforderlich.
Weiterhin wird erfindungsgemäß die Regelung des netzseitigen Wechselrichters (6c) ergänzt um die Möglichkeit, Oberschwingungsströme gezielt ins Netz einzuspeisen. Diese Ströme können nach Phasenlage und Amplitude von außen vorgegeben werden oder werden intern von der Regelung berechnet. Dazu ist es auch möglich, Signale externer Stromwandler auszuwerten und aus diesen Messwerten die Sollwerte für die Oberschwingungsströme zu errechnen.
Damit kann der Umrichter (6) gezielt Oberschwingungen im Netz kompensieren. Ebenfalls können Oberschwingungen kompensiert werden, die von der Windenergieanlage selbst erzeugt wurden. Auch dieser Betriebsmodus ist unabhängig von den sonstigen Zuständen der Windenergieanlage und auch unabhängig vom Zustand der Blindstromvorgabe gemäß [014]. Der Begriff Oberschwingungen umfasst hier auch die Zwischenharmonischen und Subharmonischen der Grundfrequenz.
Die erfindungsgemäße Regelung ermöglicht es, einzelne Oberschwingungen oder mehrere gleichzeitig einzuspeisen und deren Kompensationsgrade sowie die Amplitude und Phasenlage einzeln oder gemeinsam vorzugeben.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Betriebsmodus des Umrichters (6) besteht darin, eine vollständige oder teilweise Lastsymmetrierung des angeschlossenen Netzes durchzuführen. Dazu wird Wirkleistung oder Blindleistung aus einer oder mehreren Netzphasen vom Umrichter (6) aufgenommen und auf andere Phasen verteilt.
Die Funktion der Lastsymmetrierung kann getrennt oder gemeinsam für Wirk- und Blindleistung erfolgen. Auch dieser Betriebsmodus ist unabhängig von den sonstigen Zuständen der Windenergieanlage und auch unabhängig vom Zustand der Blindstromvorgabe gemäß [014] oder der Oberschwingungseinprägung gemäß [016].
Die erfindungsgemäßen Eigenschaften der Regelung sind möglich für Netzanbindungen ohne als auch mit Neutralleiteranschluss. Bei Anbindung des Neutralleiters an einen geeigneten Umrichter (6) können die beschriebenen Modi der Regelung auch den Neutralleiter sinngemäß beeinflussen und erforderlichenfalls die Neutralleiterströme teilweise oder vollständig kompensieren.
3 zeigt eine exemplarische Ausführungsform eines Teils der netzseitigen Regelung (20), mit dem Ziel die beschriebenen Stromkomponenten des netzseitigen Stromes zu regeln:

– Blindströme
– Oberschwingungsströme
– Ströme zur Lastsymmetrierung

Die netzseitige Regelung (20) ermittelt dazu aus den aufbereiteten Messwerten (21), den externen aufbereiteten Sollwerten (30) sowie gegebenenfalls den Informationen von der Generatorseite (40) einen gesamten Stromsollwert und errechnet aus diesem gesamten Sollwert in der Stromregelung (54) eine gesamte Stellgröße für den netzseitigen Wechselrichter.
Der Stromsollwert der netzseitigen Stromregelung (54) wird dabei additiv gebildet aus:

– dem Stromsollwert für die Zwischenkreisregelung (50)
– dem Stromsollwert für den einzuprägenden kapazitiven oder induktiven Blindstrom (51)
– dem Stromsollwert für die Kompensation von Oberschwingungen (52) und
– dem Stromsollwert für die Lastsymmetrierung (53)

Darüber hinaus gibt es einen weiteren erfindungsgemäßen Betriebsmodus des Umrichters (6), der es ermöglicht die Einhaltung von Netzanschlussregeln nachzuweisen. Diese Netzanschlussregeln werden von dem oder den Netzbetreibern festgelegt und regeln die verfahrenstechnischen Grundlagen der Netznutzung und des Netzzugangs. Diese Regeln werden auch als Transmission Codes, Grid Codes oder ähnlich bezeichnet oder sind Bestandteil solcher Unterlagen. Beispiel ist der „Transmission Code 2007 – Netz- und Systemregeln der deutschen Übertragungsnetzbetreiber”
Zu diesem Zweck ist es erfindungsgemäß möglich, dass über eine geeignete Kommunikationsschnittstelle zum Umrichter (6) verschiedene Betriebszustände, die in den Netzanschlussregeln beschrieben sind, vorgegeben werden. Die Regelung des Umrichters (6) wird dann in den vorgegebenen Betriebszustand gehen. Dies ermöglicht dem Netzbetreiber, das Verhalten der Windenergieanlage zu überprüfen bzw. zu simulieren ohne tatsächliche Netzveränderungen vornehmen zu müssen.
Beispiel für eine solche simulierte Überprüfung des Verhaltens der Windenergieanlage sind:

• Wirkleistungs- oder Blindleistungsbereitstellung bei Änderungen der Frequenz des speisenden Netzes
• Wirkleistungs- oder Blindleistungsbereitstellung bei Änderungen der Spannung des speisenden Netzes
• Verhalten der Windenergieanlage bei den geforderten Maßnahmen zur Frequenzhaltung
• Verhalten der Windenergieanlage bei den geforderten Maßnahmen zur Blindleistungsbereitstellung im Nenn- oder Teillastbetrieb
• Verhalten bei automatischer Trennung vom Netz und dem sicheren Abfangen auf Eigenbedarf
• Verhalten der Anlage beim Übergang in den Inselbetrieb und bei Wiederanschaltung an das Netz

Erfindungsgemäß ist es möglich, diese Einhaltung der Netzanschlussregeln in einem Simulationsmodus zu testen, bei dem die Windenergieanlage nicht ans Netz angekoppelt sein muss.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, diesen Testbetrieb im realen Betrieb durchzuführen. Es kann dabei für jede Anforderung vorgegeben werden, ob die Reaktion des Umrichters tatsächlich stattfinden soll oder nur simuliert werden soll und in diesem Fall über geeignete Anzeigewerte überprüfbar ist.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die Vorgaben aus den Netzanschlussregeln temporär oder dauernd über eine geeignete Kommunikationsschnittstelle im Umrichter (6) zu parametrieren. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn sich Netzanschlussregeln ändern. Insbesondere können beispielhaft folgende Werte geändert werden:

• Änderung von Frequenzgrenzwerten
• Änderung von Spannungsgrenzwerten
• Änderung von Bereichen für Blindleistungsbereitstellung
• Änderung von Bereichen für Wirkleistungsbereitstellung
• Änderung von Wirkleistungsreduktionswerten bei Überfrequenz

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass der bei der erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlage vorgesehene Vollumrichter die Möglichkeit zur Integration und/oder Nachrüstung einer Regelung bietet, mit der der Umrichter für die oben beschriebenen Betriebsmodi eingesetzt werden kann, wobei im Falle einer Windkraftanlage ein vom Windunabhängiger Einsatz möglich ist.
Im Übrigen kann die erfindungsgemäße Stromerzeugungsanlage als Teil eines sog. virtuellen Kraftwerks betrieben werden.
Schutz wird nicht nur für angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
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

EP 1895158 A2 [0006]
EP 1919055 A2 [0007]
DE 102008018748 A1 [0008]
DE 102007017870 A1 [0008]
DE 10360462 A1 [0009]
DE 10344392 A1 [0009]
DE 102007028582 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Stromerzeugungsanlage, insbesondere einer Windenergieanlage, mit einem Synchrongenerator (5) und einem Umrichter (6), dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Regelung des Umrichters (6) einer oder mehrere der folgenden Betriebsmodi durchgeführt werden bzw. durchführbar sind: • Kapazitiver und induktiver Phasenschieberbetrieb • Einprägung von Oberschwingungen • Lastsymmetrierung • Nachweis der Einhaltung von technischen Netzanschlussregeln
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (6) Blindströme aus dem Netz bezieht als auch ins Netz einspeist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (6) als kapazitiver oder induktiver Phasenschieber für das Netz betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (6) gezielt Oberschwingungsströme aus dem Netz bezieht als auch ins Netz einspeist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (6) eine vollständige oder teilweise Symmetrierung der Ströme zwischen den Phasen des angeschlossenen Netzes durchführt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Lastsymmetrierung für Blind- und Wirkströme, getrennt oder gemeinsam erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Modi unabhängig davon durchgeführt werden, ob der generatorseitige Wechselrichter in Betrieb ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Modi unabhängig davon durchgeführt werden, ob der Rotor angekuppelt ist oder nicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Modi unabhängig davon durchgeführt werden, ob der Synchrongenerator in Betrieb ist oder nicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Modi unabhängig davon durchgeführt werden, ob der Rotor sich dreht oder nicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (6) auf externe Anforderung Betriebszustände annimmt, die in technischen Netzanschlussbedingungen der Netzbetreiber formuliert sind ohne dass das angeschlossene Netz tatsächlich einen solchen Zustand fordern würde.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Betriebszustände auf externe Anforderung simuliert werden, ohne dass der Umrichter tatsächlich in diesen Zustand geht oder ans Netz gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese Betriebszustände im realen Betrieb der Windenergieanlage auf externe Anforderung aktiviert werden, wobei für jeden Betriebszustand angewählt wird, ob er tatsächlich aktiviert oder nur simuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgaben aus technischen Netzanschlussregeln (wie beispielsweise Grenzwerte und Regelbereiche) temporär oder dauerhaft durch Parametrierung angepasst werden.
Elektrische Stromerzeugungsanlage, insbesondere Windenergieanlage, mit einem Synchrongenerator (5) und einem Umrichter (6), dadurch gekennzeichnet, dass dem Umrichter eine Regelung zur Durchführung eines oder mehrerer der folgenden Betriebsmodi zugeordnet ist: – Kapazitiver und/oder induktiver Phasenschieberbetrieb, – Einprägung von Oberschwingungen, – Lastsymmetrierung.
Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter als Vollumrichter ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung in den Umrichter integriert ist.
Anlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung als nachrüstbare Ausrüstung des Umrichters ausgebildet ist.