DE102011087109B3

DE102011087109B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung

Info

Publication number: DE102011087109B3
Application number: DE102011087109A
Authority: DE
Inventors: Andreas Basteck
Original assignee: Zollern & Co KG GmbH
Current assignee: Renk GmbH
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2031-11-26
Also published as: WO2013075915A3; WO2013075915A2

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wobei die Anlage einen Antriebsstrang 1 aufweist, der umfasst: – ein Überlagerungsgetriebe 10 mit einem Eingangszweig 11, einem Ausgangszweig 12 und einem Regelzweig 13, wobei über den Eingangszweig 11 aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe 10 geführt wird, – eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine 20 in dem Regelzweig 13, – einen mit der Regelmaschine 20 gekoppelten Frequenzumrichter 40 und – einen Generator 30 in dem Ausgangszweig 12, wobei mittels der Regelmaschine 20 das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig 11 und dem Ausgangszweig 12 veränderbar ist, wobei dem Antriebsstrang 1 mittels einer Bremseinrichtung 70, die in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig abzweigenden Zweig angeordnet ist, Leistung entzogen wird, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe 10 zu der Regelmaschine 20 hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine 20 oder des Frequenzumrichters 40 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wie z. B. ein Verfahren zum Betrieb einer Wind- oder Wasserkraftanlage. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, insbesondere einen Antriebsstrang einer solchen oder für eine solche Anlage.
Aus dem Artikel ”Drehzahlvariable Windkraftanlagen mit elektrisch geregeltem Überlagerungsgetriebe von P. Caselitz et all DEWEK 92 Seiten 171–175, wird ein Konzept für den drehzahlvariablen Betrieb von Windkraftanlagen vorgestellt. Im Gegensatz zu gebräuchlichen Konzepten wird dabei die Drehzahlvariabilität nicht im elektrischen Teil, sondern im mechanischen Teil der Anlage realisiert. Kernstück der Anlage ist ein Überlagerungsgetriebe, das neben einer ersten und zweiten Welle eine dritte Welle aufweist, über die das Drehzahlverhältnis zwischen Rotor und Generator variiert werden kann. Auf diese Weise kann trotz veränderlicher Rotordrehzahl die Generatordrehzahl konstant gehalten werden. Dies ermöglicht den Einsatz eines direkt netzgekoppelten Synchrongenerators, der ein hohes Maß an Netzverträglichkeit aufweist. Zwischen den Wellen des idealen Überlagerungsgetriebes aus 1 besteht die Drehzahlbeziehung i₁ω_R – i₂ω_C – ω_G = 0 wobei i₁ und i₂ konstruktive Parameter (Übersetzungsverhältnisse) und ω_R die Rotordrehzahl oder einer Eingangswelle, ω_C die Regelwellendrehzahl und ω_G die Generatordrehzahl oder die Ausgangswellendrehzahl bezeichnen. Zum Antrieb der Regelwelle oder des Regelzweigs des Überlagerungsgetriebes wird in der Regel ein elektrischer Antrieb eingesetzt. Die Verwendung einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine mit Käfigläufer wird von Caselitz et al. vorgeschlagen.
Caselitz definiert eine Grunddrehzahl, die in Fachkreisen auch als Nenndrehzahl des Rotors oder der Rotorwelle bezeichnet wird, bei der ω_C = 0 ist, woraus sich folgende Beziehung ergibt:
Die Grunddrehzahl ω_R0 hängt ausschließlich von dem Übersetzungsverhältnis i₁ und von der Generatordrehzahl ω_G0, wie z. B. 1500 l/min, ab. Die Leistung an der Regelwelle lässt sich als Funktion der Rotordrehzahl in folgender Form darstellen:
wobei P_C die Leistung an der Regelwelle und PR die Leistung an der Rotorwelle oder Eingangswelle ist. Für die Generatorleistung gilt:
Liegt die Rotordrehzahl über der Grunddrehzahl, arbeitet die Regelmaschine generatorisch. Liegt sie unter der Grunddrehzahl, arbeitet die Regelmaschine motorisch. Zum weiteren technischen Verständnis wird auf den Artikel von P. Caselitz et al. verwiesen.
Um eine Windkraftanlage auszulegen, wird an dem gewünschten Standort die durchschnittliche Windgeschwindigkeit ermittelt. Für diese Windgeschwindigkeit wird die Anlage ausgelegt. Da im Betrieb solcher Anlagen die Windgeschwindigkeit selbstverständlich nicht konstant ist und auch teilweise mit böigem Wind zu rechnen ist, wird bei der Anlage, wie sie P. Caselitz vorschlägt, die Regelmaschine, nämlich der Motor-Generator so stark ausgelegt, dass er Überbelastungen, wie sie durch böigen Wind entstehen, in elektrische Energie umwandelt und dem Stromnetz über einen Frequenzumrichter zuführt. Der Spielraum für nicht stationäre oder dynamische Drehzahlabweichungen muss genügend groß bleiben. Es hat sich herausgestellt, dass die Regelmaschine mit einer Nennleistung ausgelegt werden muss, die größer als 20% der an der Rotorwelle anliegenden, d. h. zu dem Übertragungsgetriebe zu- bzw. abgeführten Leistung entspricht. Dies führt zu mehreren Effekten. Der Frequenzumrichter und die Drehstrommaschine, über den die Regelmaschine Strom in das Stromnetz speist bzw. bekommt, muss ebenfalls für höhere Nennleistungen ausgelegt sein, wodurch sich der Wirkungsgrad verringert und der Preis der Anlage erhöht. Außerdem ist der Anteil der abgeführten Leistung über den Frequenzumrichter in das Netz verhältnismäßig hoch, wodurch die Stromeinspeisequalität (durch Flicker, Harmonische, Spannungsniveau, Blindleistung) leidet.
Die DE 10 2009 028 612 A1 beschreibt eine Windkraftanlage und ein Verfahren, wobei im Kraftfluss zwischen einem Überlagerungsgetriebe und einem Generator eine steuerbare, d. h. ein- und ausrückbare Feststellbremse zur bedarfsweisen Arretierung des Generators angeordnet ist. Bei niedrigen Windgeschwindigkeiten wird die Bremse festgestellt, so dass der Generator still steht, wobei die über den Windrotor eingebrachte Energie an eine drehzahlvariable betreibbare Elektromaschine abgegeben wird, welche im generatorischen Betrieb über einen Frequenzumrichter den von ihr erzeugten Strom in ein Stromnetz einspeist.
Die DE 10 2007 019 665 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage mit Stallregelung. Zur Anpassung der Rotordrehzahl wird das an dem Rotor anliegende Gegenmoment mittels eines Überlagerungsgetriebes verändert. In Abhängigkeit von der Anordnung des Überlagerungsgetriebes zwischen Getriebe und Generator wird entweder eine Momentaufteilung oder eine Geschwindigkeitsaufteilung herbeigeführt. Eine elektrische Maschine, die an der Anpassung der Rotordrehzahl beteiligt ist, kann aus dem elektrischen Netz gespeist werden oder in das elektrische Netz einspeisen.
Die DE 10 2006 040 929 B4 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator und einem Überlagerungsgetriebe. Das beschriebene Verfahren basiert auf der in dem Artikel ”Drehzahlvariable Windkraftanlage mit elektrisch geregeltem Überlagerungsgetriebe” von P. Caselitz et al. dargestellten Technologie.
Aus der WO 2011/000008 A1 ist ein Differenzialgetriebe für eine Windkraftanlage bekannt, welches drei An- bzw. Abtriebe aufweist, wobei ein erster Antrieb mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb mit einem mit einem Netz verbindbaren Generator und ein zweiter Antrieb mit einer elektrischen Maschine als Differenzialantrieb verbunden ist. Das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes ist mittels einer Bremse auf 1 festlegbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage anzugeben, bei welcher der Gesamtwirkungsgrad erhöht und die Kosten reduziert werden, wobei gleichzeitig die Stromeinspeisequalität verbessert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung aus Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterentwicklungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Die Erfindung geht von einem Antriebsstrang für eine Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, aus. Bei der Anlage kann es sich um ein Wind- oder Wasserkraftwerk handeln. Der Antriebsstrang lasst sich überall dort einsetzen, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, aus dem die Energie gewonnen werden soll, variabel ist, wie z. B. bei Windströmungen oder Gezeitenströmungen.
Als Antriebsstrang werden insbesondere die Komponenten verstanden, welche durch Umströmung eines Rotors mit Fluid auf diesen übertragene Leistung bis zu einer Übergabe an das Elektrizitätsnetz übertragen. Die Anlage dient zur Gewinnung von Energie aus der Fluidströmung und deren Umwandlung in elektrische Energie. Der Antriebsstrang umfasst insbesondere ein Überlagerungsgetriebe, eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine, einen mit der Regelmaschine gekoppelten Frequenzumrichter, einen Generator und erfindungsgemäß eine regelbare Bremseinrichtung, die in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig abzweigenden Zweig, wie z. B. in einem Regelzweig oder zusätzlichen Bremszweig, angeordnet ist.
Das Überlagerungsgetriebe weist einen Eingangszweig, der den Rotor mit dem Überlagerungsgetriebe verbindet, einen Ausgangszweig, der den Synchrongenerator mit dem Überlagerungsgetriebe verbindet und einen Regelzweig, der die Regelmaschine mit dem Überlagerungsgetriebe verbindet, auf. Das Überlagerungsgetriebe umfasst eine Eingangswelle als Teil des Eingangszweigs, eine Ausgangswelle als Teil des Ausgangszweigs und eine Regelwelle als Teil des Regelzweigs. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle als Teil des Eingangszweigs, der Synchrongenerator umfasst eine Synchrongeneratorwelle als Teil des Ausgangszweigs und die Regelmaschine umfasst eine Regelmaschinenwelle als Teil des Regelzweigs.
Der Regelzweig kann ein Zwischengetriebe, eine Kupplung oder eine Welle-Nabe-Verbindung aufweisen, über die die Regelwelle mit der Regelmaschinenwelle verbunden sein kann. Wenngleich praktisch weniger bevorzugt, ist es durchaus denkbar, dass die Regelwelle die Regelmaschinenwelle bildet. Die Regelwelle und die Regelmaschinenwelle können insbesondere so gekoppelt sein, dass sie sich mit der gleichen Drehzahl drehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Regelmaschine mit dem Überlagerungsgetriebe permanent gekoppelt sein.
Das Überlagerungsgetriebe kann eine Eingangswelle als Teil des Eingangszweigs und der Rotor kann eine Rotorwelle als Teil des Eingangszweigs aufweisen. Wenngleich weniger bevorzugt, können Eingangswelle und Rotorwelle so gekoppelt sein, dass sie mit der gleichen Drehzahl drehen. Bevorzugt ist jedoch, dass der Eingangszweig eine Kupplung und/oder ein Zwischengetriebe aufweist, welche(s) zwischen der Rotorwelle und der Eingangswelle angeordnet ist. Das Zwischengetriebe ist angepasst, eine verhältnismäßig niedrige Drehzahl des von dem fluidumströmten Rotors, wie z. B. zwischen 10 und 20 l/min auf eine hohe Drehzahl, wie z. B. 300–1500, insbesondere 300–800 oder 1000–1500 l/min hoch zu setzen.
Das Überlagerungsgetriebe umfasst eine Ausgangswelle als Teil des Ausgangszweigs und der Synchrongenerator umfasst eine Synchrongeneratorwelle als Teil des Ausgangszweigs. Zwischen dem Überlagerungsgetriebe und dem Synchrongenerator kann ein Zwischengetriebe, eine Kupplung oder eine Wellenverbindung angeordnet sein. Grundsätzlich ist der Fall denkbar, dass die Ausgangswelle die Synchrongeneratorwelle bildet. Ausgangswelle und Synchrongeneratorwelle können insbesondere so verbunden sein, dass sie mit der gleichen Drehzahl drehen.
Eingangszweig, Ausgangszweig und Regelzweig sind somit als Teilzweige des Antriebsstrangs zu verstehen. Der Eingangszweig ist so ausgestaltet, dass er die mittels des Rotors aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Übertragungsgetriebe führen kann, vorzugsweise unter Drehzahlerhöhung, wie z. B. mittels eines Zwischengetriebes.
Der Zusammenhang zwischen den Drehzahlen der drei Wellen des Überlagerungsgetriebes lässt sich insbesondere nach der eingangs genannten Formel i₁ ω_R – i₂ ω_C – ω_G = 0 zusammenfassen. Insbesondere ist mittels der Regelmaschine das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig, insbesondere zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle veränderbar.
Die Regelmaschine ist in dem Regelzweig angeordnet. Das Überlagerungsgetriebe ist angepasst, Leistung an die Regelmaschine abzugeben oder von der Regelmaschine Leistung aufzunehmen. Wird Leistung an die Regelmaschine abgegeben, arbeitet die Regelmaschine generatorisch. Wird Leistung von der Regelmaschine aufgenommen, arbeitet die Regelmaschine motorisch. Je nach Drehzahl und Betriebsart ändert sich das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangszweig bzw. der Eingangs- und Ausgangswelle. Die Regelmaschine kann insbesondere ein Motor-Generator sein, der mechanische Energie in Form von Rotation aufnimmt und als elektrische Energie abgibt (Generatorbetrieb) oder elektrische Energie aufnimmt und als mechanische Energie in Form von Rotation abgibt (Motorbetrieb). Prinzipiell sind alle Arten von Drehstrommaschinen, wie z. B. auch die eingangs genannte Asynchronmaschine mit Käfigläufer, als Regelmaschine geeignet.
Der Frequenzumrichter ist mit der Regelmaschine elektrisch gekoppelt und wandelt die abhängig von der Drehzahl der Regelmaschine variierende Frequenz der Spannung in eine mit dem zu versorgenden Stromnetz synchrone Frequenz bzw. Spannung um.
Der im Ausgangszweig angeordnete Generator ist vorteilhaft ein Drehstromgenerator, insbesondere eine Synchron-, Asynchron- oder Reluktanzmaschine, und/oder kann direkt in das zu versorgende Netz gekoppelt sein. Besonders vorteilhaft ist ein selbsterregter Synchrongenerator. Der Synchrongenerator hat den Vorteil, dass er einerseits preiswert ist und ein hohes Maß an Netzverträglichkeit (Blindleistungsregelung etc.) aufweist, so dass er direkt an das zu versorgende Stromnetz gekoppelt werden kann. Dies erfordert jedoch, dass der Synchrongenerator mit einer konstanten Generatordrehzahl betrieben wird. Um z. B. die Netzfrequenz von 50 Hertz zu erreichen, muss ein Synchrongenerator mit der üblichen Polzahl von 2 eine Synchrondrehzahl von exakt 1500 l/min betrieben werden.
Mit Hilfe des Überlagerungsgetriebes und der Regelmaschine lässt sich die variierende Eingangsdrehzahl in eine konstante Ausgangsdrehzahl, nämlich die Drehzahl, mit der der Generator betrieben werden muss, einstellen. Der Antriebsstrang weist vorzugsweise eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung auf, welche die Drehzahlen und/oder die Leistungen der Eingangswellen, der Ausgangswellen und der Regelwelle ermittelt und/oder die Regelmaschine entsprechend ansteuert, um die Drehzahl des Generators konstant zu halten oder/und die erforderliche Eingangsdrehzahl des Rotors entsprechend der Windgeschwindigkeit zur Ausgangsdrehzahl bzw. Netzfrequenz zu regeln.
Der Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass er in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig abzweigenden Zweig, insbesondere einem Bremszweig, einem Regelzweig oder einem Regel-Bremszweig, eine Bremseinrichtung aufweist, die angepasst ist, dem Antriebsstrang Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine bin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist. Wenn die von dem Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine hin abgegebene Leistung kleiner als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist, entzieht die Bremseinrichtung in dem abzweigenden Zweig dem Antriebsstrang vorzugsweise keine oder nur unwesentlich, d. h. vernachlässigbar Leistung. Weiterhin kann der Bremszweig im Arbeitspunkt des Regelzweiges mit Drehzahl gleich Null als Haltebremse fungieren.
Je nach Anordnung der Bremseinrichtung in dem abzweigenden Zweig können bestimmte Komponenten des Antriebsstrangs, wie z. B. die Regelmaschine oder/und der Frequenzumrichter, für geringere Nennleistungen ausgelegt werden. Dadurch werden diese Komponenten billiger, wodurch der Ertrag der Anlage mit einem solchen Antriebsstrang steigt. Im Volllastbereich, d. h. wenn über den Rotor soviel Leistung in den Antriebsstrang geführt wird, dass der Generator im Ausgangszweig mit seiner Nennleistung angetrieben wird, liegt eine ausreichende Energie durch das Fluid, wie z. B. Wind, vor so dass eine Wirkungsgradbetrachtung nicht zum Tragen kommt. Die Situationen, in denen z. B. durch Windböen oder kurzzeitige höhere Windgeschwindigkeiten in den Regelzweig eine die Nennleistung der Regelmaschine übersteigende Leistung geleitet wird, sind temporäre Vorgänge, die nach bestimmten Zeiteinheiten durch den Pitch des Rotors ausgesteuert werden und führen zu keiner Einbuße im Ertrag der Windturbine beitragen. Durch die somit vorgeschlagene Erfindung liegt ein verringerter Leistungsfluss im Regelzweig über die Regelmaschine und den Frequenzumrichter vor und der Leistungsfluss im Ausgangszweig ist stets dominant, so dass eine Blindleistungsregelung vorrangig bzw. nur über den Synchrongenerator erfolgen kann, wodurch die Qualität der Stromeinspeisung verbessert wird.
In bevorzugten Weiterbildungen umfasst der Antriebsstrang das Überlagerungsgetriebe mit einem Regelzweig, der eine Drehstrommaschine (motorischer und generatorischer Betrieb) mit Frequenzumrichter und einer regelbaren Bremse aufweist, und einen direkt ins Netz gekoppelten Drehstromgenerator.
Durch die Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass die Regelmaschine für eine Nennleistung kleiner 20%, 15%, 10%, 6% oder 5% der Nennleistung des Synchrongenerators oder der über den Eingangszweig zum Überlagerungsgetriebe geleiteten Leistung (Eingangsleistung) sein kann. Im Vergleich dazu muss die Regelmaschine bei der herkömmlichen Anordnung, d. h. ohne Bremse, für > 20% oder noch mehr der Eingangsleistung des Eingangszweigs ausgelegt sein.
Bevorzugt kann der Antriebsstrang eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung aufweisen, welche die Bremseinrichtung des abzweigenden Zweigs (Regel- oder/und Bremszweig) ansteuert, um dem Antriebsstrang Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist. insbesondere ist die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung so angepasst, dass sie die Bremseinrichtung so ansteuert, dass diese dem Antriebsstrang in dem abzweigenden Zweig so viel Leistung entzieht, dass die Regelmaschine mit ihrer oder/und der Frequenzumrichter mit seiner Nennleistung arbeitet.
Die Bremseinrichtung kann z. B. eine mechanische Bremse, wie z. B. eine Scheibenbremse oder ein Retarder oder eine Fluidkupplung, einen Hydrostaten (hydrostatische Pumpe/Motor z. B. mit Drossel im Fluidkreislauf) oder eine elektrische Bremse, wie z. B. ein elektrischer Widerstand oder eine Wirbelstrombremse etc. sein.
In bevorzugten Ausführungen kann die Bremseinrichtung ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein. elektrischer Widerstand sein, der zwischen den Frequenzumrichter und die Regelmaschine geschaltet ist oder geschaltet wird. Der elektrische Widerstand kann auf einfache Weise veränderbar ist. Der elektrische Verbraucher oder Widerstand kann z. B. mittels der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung verstellt, insbesondere zu oder weggeschaltet werden. Durch diese Anordnung der Bremseinrichtung wird erreicht, dass der Frequenzumrichter für eine geringere Nennleistung als die Regelmaschine ausgelegt werden kann.
Beispielsweise kann der Bremszweig zusätzlich, insbesondere zu dem Eingangszweig, dem Ausgangszweig und dem Regelzweig, vorgesehen sein. Dies bewirkt ebenfalls, dass der Frequenzumrichter und die Regelmaschine für geringere Nennleistungen ausgelegt werden können. Ausgangszweig und Regelzweig können zueinander in einem festen oder variablen Übersetzungsverhältnis angeordnet sein.
Für die in dem Regelzweig oder dem Bremszweig angeordnete Bremseinrichtung sind mechanische Bremsen oder Wirbelstrombremsen besonders bevorzugt. Die Bremseinrichtung wird, wie bereits erwähnt, vorzugsweise zum Einstellen ihrer Bremsleistung, d. h. der Leistung, die dem Antriebsstrang entzogen wird, von einer Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung angesteuert.
Optional kann die Bremseinrichtung in den entsprechenden Zweig mittels einer Kupplung geschaltet sein, die, wenn die Bremse nicht benötigt wird, die Bremse von dem entsprechenden Zweig entkoppelt, um z. B. Reibungsverluste trotz geöffneter Bremse zu vermeiden.
Um den Wirkungsgrad noch weiter zu verbessern, ist es bevorzugt, dass der Synchrongenerator für eine Ausgangsspannung oder Netzeinspeisespannung angepasst sind, die der Spannung des zu versorgenden Stromnetzes entspricht. Hierdurch können Transformatoren eingespart werden, die zwar einen hohen Wirkungsgrad aber dennoch einen gewissen Verlust haben. Da die zu speisenden Stromnetze oftmals im Mittelspannungsbereich arbeiten, ist es bevorzugt, dass die Ausgangsspannung ebenfalls im Mittelspannungsbereich, insbesondere zwischen 1 kV und 75 kV, besonders bevorzugt zwischen 10 kV und 35 kV ausgelegt sind.
Das Überlagerungsgetriebe kann nur ein oder mindestens ein Einzelgetriebe, wie z. B. zwei oder drei Einzelgetriebe umfassen. Beispielsweise kann das Überlagerungsgetriebe eine oder mehrere Planetenstufen umfassen. Mehrere Planetenstufen können z. B. miteinander verschaltet sein. Besonders bevorzugt ist es eine Windkraftanlage, welche einen solchen Antriebsstrang umfasst.
In bevorzugten Ausführungen sind der Regelzweig und/oder die Regelmaschine permanent mit dem Überlagerungsgetriebe, insbesondere in allen Betriebspunkten eingekoppelt. Die Bremseinrichtung ist vorzugsweise im Volllastbereich, d. h. wenn die Regelmaschine generatorisch arbeitet, an das Überlagerungsgetriebe eingekoppelt, wie z. B. durch Aktivieren der Bremse und/oder durch Schließen der optional vorhandenen Kupplung. Die Bremseinrichtung arbeitet vorzugsweise nur kurzzeitig, da dann durch die Pitchverstellung (Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter) am Windrotor, die aus dem Wind entnommene und an den Eingangszweig abgegebene Leistung eingegrenzt wird. Die Bremseinrichtung oder der Bremszweig dient lediglich zur Abgabe bzw. zum Entzug von Leistung aus dem Antriebsstrang und wird vorzugsweise nur temporär zugeschaltet (Kupplung), wenn die Nennleistung der Regelmaschine im Regelzweig überschritten wird. Mit anderen Worten wird die überschüssige Leistung durch die Bremseinrichtung vernichtet. Weiterhin kann der Bremszweig bei quasistatischen Zuständen im Arbeitspunkt des Regelzweiges mit Drehzahl gleich Null als Haltebremse fungieren.
Besonders bevorzugt ist, dass die Bremseinrichtung deaktiviert ist, wenn die Regelmaschine motorisch arbeitet, insbesondere durch Deaktivieren der Bremse oder besonders bevorzugt durch Öffnen der optional vorhandenen Kupplung.
Das Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wie z. B. Wind- oder Gezeitenströmung, nutzt einen Antriebsstrang wie er oben beschrieben ist, weshalb bevorzugt auch das oben beschriebene für das Verfahren gilt Insbesondere umfasst der Antriebsstrang:

– ein Überlagerungsgetriebe mit einem Eingangszweig, einem Ausgangszweig und einem Regelzweig, wobei über den Eingangszweig aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe geführt wird,
– eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine in dem Regelzweig,
– einen mit der Regelmaschine gekoppelten Frequenzumrichter und
– einen Synchrongenerator in dem Ausgangszweig, wobei mittels der Regelmaschine das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig veränderbar ist oder verändert wird. Mittels der Regelmaschine ist oder wird das Übersetzungsverhältnis während des laufenden Betriebs, insbesondere während des Stromlieferbetriebs, bei dem das zu versorgende Netz mit Strom versorgt wird, veränderbar oder verändert oder entsprechend der vorliegenden Windgeschwindigkeit und der daraus resultierenden optimalen Drehzahl des Rotors und der vorliegenden Netzfrequenz und der erforderlichen Drehzahl (Nenndrehzahl des Generators) des insbesondere netzgekoppelten Generators verändert.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass dem Antriebsstrang mittels der Bremseinrichtung, die in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig insbesondere von dem Überlagerungsgetriebe abzweigenden Zweig (z. B. Regelzweig, Bremszweig oder Regel-Bremszweig) angeordnet ist, Leistung entzogen wird, wenn die von dem Übertragungsgetriebe zu der Regelmaschine hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist. Bevorzugt wird dem Antriebsstrang in dem abzweigenden Zweig mittels der Bremseinrichtung so viel Leistung entzogen, dass die Regelmaschine oder der Frequenzumrichter mit seiner Nennleistung arbeitet. Dadurch wird bewirkt, dass die Regelmaschine und/oder der Frequenzumrichter nicht überbelastet werden, aber dennoch mit ihrer Nennleistung arbeiten. Mit anderen Worten, wird dem Antriebsstrang überschüssige Leistung entzogen.
Insbesondere wird dem Antriebsstrang mittels der Bremseinrichtung zusätzliche Leistung entzogen, wenn die über den Eingangszweig zu dem Überlagemngsgetriebe geführte Leistung größer als die Summe aus der Nennleistung der Regelmaschine und der Nennleistung des Synchrongenerators oder größer als die Summe aus der Nennleistung des Frequenzumrichters und der Nennleistung des Synchrongenerators ist.
Mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung wird die Bremseinrichtung bevorzugt so angesteuert, dass dem Antriebsstrang entsprechend viel, d. h. wie oben angegeben, Leistung entzogen wird. Mit der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung lässt sich die Bremsleistung entsprechend steuern.
Mit einer oder mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung lässt sich auch die Regelmaschine ansteuern, insbesondere in ihrer Drehzahl und/oder Drehrichtung steuern. Insbesondere kann die Regelmaschine so angesteuert werden, dass sie generatorisch oder motorisch arbeitet. Bevorzugt wird die Regelmaschine so angesteuert, dass sie im Volllastbereich generatorisch arbeitet und im Teillastbereich, d. h. wenn der Generator des Ausgangszweigs unterhalb seiner Nennleistung betrieben wird, überwiegend motorisch arbeitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Regelmaschine so angesteuert werden, dass sie überwiegend generatorisch arbeitet, wenn die Eingangsdrehzahl über der Nenndrehzahl des Rotors (Grunddrehzahl) ist, und überwiegend motorisch arbeitet, wenn die Eingangsdrehzahl weit unterhalb der Nenndrehzahl des Rotors (Grunddrehzahl) ist. Hinsichtlich der Grunddrehzahl wird auf P. Caselitz verwiesen.
Insbesondere lässt sich mittels des Überlagerungsgetriebes eine variable Eingangsdrehzahl aus dem Eingangszweig zu einer konstanten Ausgangsdrehzahl zu dem Synchrongenerator hin übertragen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird mittels einer Leistungssteuerung, insbesondere einer Pitchverstellung des Rotors, die aus der Fluidströmung entnommene Leistung eingestellt, insbesondere verringert, wenn die Regelmaschine über ihrer Nennleistung arbeitet oder/und die Bremseinrichtung dem Antriebsstrang Leistung entzieht. Dadurch lässt sich erreichen, dass beim Übergang von böigem Wind, bei dem jeweils nur kurzzeitig Leistungsspitzen auftreten, zu Starkwind, bei dem dauerhaft eine erhöhte Leistung auftritt, oder beim Anstieg der Windgeschwindigkeit über die Nennwindgeschwindigkeit die Bremseinrichtung mittels Verstellung des Pitchs des Rotors entlastet wird. Entsprechend kann bei sich verringerndem Wind, der ein dauerhaftes Absinken der Leistung im Regelzweig unter die Nennleistung der Regelmaschine bewirkt, wieder verstellt werden, um die Leistung im Regelzweig wieder in etwa auf die Nennleistung der Regelmaschine anzuheben.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann die Bremseinrichtung dem Antriebsstrang Energie entziehen, wenn die von der Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine abgegebene Leistung größer als 10%, bevorzugt größer als 5% der über den Eingangszweig zu dem Überlagerungsgetriebe herangeführte Leistung ist. Diese Prozentangaben sind selbstverständlich ca.-Werte und können im Einzelfall leicht darüber liegen.
Die Erfindung wurde anhand mehrerer Ausführungen für die Vorrichtung und das Verfahren beschrieben. Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungen der Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die dabei offenbarten Merkmale bilden die Erfindung vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 Schaltbild eines Antriebsstrangs aus dem Stand der Technik;
2a das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
2b das Schaltbild des Antriebsstrangs aus 2a mit einer Abwandlung;
3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
4 noch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, die auf der Kombination der Antriebsstränge aus den 3 und 4 beruht;
6a–e verschiedene Ausführungsformen eines Überlagerungsgetriebes für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang;
7 ein Leistungsdiagramm für eine Windturbine;
8 ein Leistungsdiagramm für den Rotor einer Windturbine;
9 ein Leistungsdiagramm für den Antriebsstrang aus 1; und
10a ein Leistungsdiagramm für einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang
10b einen Ausschnitt aus dem Leistungsdiagramm aus 10a.
Die in den 2a, 2b, 3, 4 und 5 gezeigten Antriebstränge sind eine Weiterbildung des in 1 gezeigten Antriebsstrangs wie ihn Caselitz et al. vorschlagen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile.
Der Antriebsstrang 1 umfasst ein Überlagerungsgetriebe 10, von dem ein Eingangszweig 11, ein Ausgangszweig 12 und ein Regelzweig 13 abzweigt. Der Eingangszweig 11 verbindet einen Rotor 50 mit dem Überlagerungsgetriebe 10, so dass eine über den Rotor 50 aufgenommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe 10 in Form einer Drehbewegung geführt wird. Der Rotor 50 umfasst Rotorblätter, die vorzugsweise mittels einer Pitchverstellung verstellbar sind, d. h. der Anstellwinkel der Rotorblätter in Bezug auf die Windströmung ist verstellbar, wodurch der Auftrieb der Rotorblätter und somit das Drehmoment und die aus der Luftströmung entnommene Leistung in gewissen Grenzen verstellbar ist.
Bei den Ausführungen aus den 2a bis 5 weist der Eingangszweig 11 ein Hochsetzgetriebe 60 (Step Up Getriebe) auf, welches die Drehzahl des Rotors 50 und seiner Rotorwelle hoch setzt, so dass sich die Eingangswelle 11 des Überlagerungsgetriebes 10 mit einer höheren Drehzahl dreht als der Rotor 50. Als Hochsetzgetriebe 60 eignen sich z. B. eine Planetenstufe oder mehrere hintereinander geschaltete Planetenstufen. Durch das Hochsetzen der Drehzahl wird das Drehmoment, welches von dem Überlagerungsgetriebe 10 verteilt werden muss, bei konstantem Leistungsfluss, verringert.
Der Ausgangszweig 12 verbindet das Überlagerungsgetriebe 10 mit einer Drehstrommaschine, vorzugsweise einem Synchrongenerator 30, die oder der in den gezeigten Beispielen und vorteilhaft direkt netzgekoppelt ist, wodurch sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Ein optional zwischen Netz und Synchrongenerator 30 geschalteter Umrichter, wie z. B. Frequenzumrichter und/oder Transformator würde zusätzliche Verluste erzeugen, wodurch der Wirkungsgrad zwischen Synchrongenerator 30 und dem Netz verringert werden würde.
In dem gezeigten Beispiel soll die Netzfrequenz 50 Hertz betragen. Angenommen der Generator 30 besitzt die übliche Polpaarzahl von 2, ergibt sich, dass der Synchrongenerator 30 mit 1500 l/min angetrieben werden muss. Hieraus ergibt sich, dass die Drehzahl des Ausgangszweigs 12 auch dann konstant gehalten werden muss, wenn sich die Drehzahl des Rotors bzw. des Eingangszweigs 11 ändert oder dass die Drehzahl des Eingangszweiges 11 entsprechend der Windgeschwindigkeit für den Windrotor 50 so geregelt wird, das sie der erforderlichen Drehzahl des Ausgangszweiges 12 entspricht. Hierzu weist der Antriebsstrang 1 eine Regelmaschine 20 in der Gestalt eines Motor-Generators auf, der über den Regelzweig 13 mit dem Überlagerungsgetriebe 10 verbunden ist. Durch Veränderung der Drehzahl und/oder der Drehrichtung der Regelmaschine 20 lässt sich das Übersetzungsverhältnis vom Eingangszweig 11 zu dem Ausgangszweig 12 einstellen. Dreht der Rotor 50 unterhalb seiner Nenndrehzahl, wird die Regelmaschine 20 motorisch betrieben. Erhöht sich die Drehzahl des Rotors 50 bzw. liegt sie Volllastbereich, wird die Regelmaschine 20 überwiegend generatorisch betrieben, indem das Überlagerungsgetriebe 10 Leistung über den Regelzweig 13 an die Regelmaschine 20 abgibt. Da die Drehzahl der Regelmaschine mit der Drehzahl des Rotors 50 variiert, ist zwischen Regelmaschine 20 und Netz ein Frequenzumrichter 40 geschaltet, der diese veränderliche Frequenz der Regelmaschine 20 für die Einspeisung in das zu versorgende Netz umrichtet.
Sinkt die Drehzahl des Rotors 50 und arbeitet der Antriebsstrang 1 im Teillastbereich, wird die Regelmaschine 20 überwiegend motorisch, d. h. mit Strom aus dem Netz betrieben, so dass die Regelmaschine 20 Leistung an das Überlagerungsgetriebe 10 abgibt. Die Drehrichtung der Regelmaschine im motorischen Betrieb ist umgekehrt zu der Drehrichtung der Regelmaschine 20 im generatorischen Betrieb. Durch den motorischen Betrieb der Regelmaschine 20 Lässt sich trotz Absinken der Drehgeschwindigkeit des Rotors die Drehzahl des Synchrongenerators 30 auf konstantem Niveau halten.
Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten und in 1 dargestellten Lösung weist der Antriebsstrang 1 aus den 2a bis 5 zusätzlich eine Bremse 70 im Regelzweig 13, 14 auf, welche dem Antriebsstrang 1 Leistung entziehen kann. Nach der Erfindung wird dem Antriebsstrang mittels der Bremseinrichtung Leistung entzogen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe 10 zu der Regelmaschine 20 hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine 20 oder des Frequenzumrichters 40 ist. Die Bremse 70 bewirkt eine Leistungsbegrenzung, wenn z. B. über den Rotor 50 eine im Volllastbereich zu hohe Leistung in das Überlagerungsgetriebe 10 geführt wird, in dem Maße, dass dem Antriebsstrang 1 mittels der Bremseinrichtung 70 so viel Leistung entzogen wird, dass die Regelmaschine 20 oder der Frequenzumrichter 40 mit seiner Nennleistung arbeitet. Durch die Maßnahme lassen sich die Regelmaschine 20 und der Frequenzumrichter 40 im Verhältnis zum Synchrongenerator 30 mit einer sehr niedrigen Nennleistung auslegen, wie z. B. geringer als 5% oder 6% der Nennleistung des Synchrongenerators 30, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht, die Kosten der Anlage reduziert und die Stromeinspeisequalität in das Netz verbessert werden.
In den 2a und 2b ist die Bremse 70 über einen Bremsstrang 14 mit dem Überlagerungsgetriebe 10 im Regelzweig 13 verbunden. Bevorzugt ist der Bremszweig 14 mit einem festen Übersetzungsverhältnis mit dem Regelzweig 13 verbunden. Der Bremszweig 14 kann daher aus kinematischer Hinsicht zu dem Regelzweig 13 gehörig angesehen werden. Die Bremse 70 kann sich vorzugsweise an dem Maschinengestell abstützen.
In 2b ist die Bremse 70 permanent über den Bremsstrang 14 mit dem Überlagerungsgetriebe 10 verbunden. Diese Lösung ist kostengünstig, weil keine teuren Bauteile wie z. B. eine Kupplung 71 im Bremszweig 14 enthalten sein müssen. Je nach Ausgestaltung der Bremse 70 kann diese jedoch im ungebremsten Zustand geringe Reibungskräfte und somit Verlustleistungen erzeugen, wodurch der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs 1 sinkt. Um dies zu verhindern, ist in der Variante aus 2a im Bremszweig 14 eine Kupplung 71 enthalten, welche die Bremse 70 vollständig wegschalten kann, wenn die Bremse 70 nicht benötigt wird oder im motorischen Betrieb der Regelmaschine 20. Dadurch lasst sich der Wirkungsgrad der Anlage bzw. des Antriebsstrangs 1 erhöhen.
In 3 ist die Bremse 70 in den Regelzweig 13 geschaltet. Der Regelzweig 13 bildet gleichzeitig den Bremszweig 14. Die Bremse 70 kann z. B. zwischen die Regelmaschine 20 und das Überlagerungsgetriebe 10 geschaltet sein oder, wie hier gezeigt, kann die Regelmaschine 20 zwischen die Bremse 70 und das Überlagerungsgetriebe 10 geschaltet sein. In dem gezeigten Beispiel ist in dem Bremszweig 14 zwischen Regelmaschine 20 und Bremse 70 eine Kupplung 71 geschaltet, die wie in dem Beispiel aus 2a die Bremse 70 wegschalten kann. Die Kupplung 71 ist optional, so dass die Regelmaschine 20 auch ohne Kupplung mit der Bremse 70 verbunden sein kann.
In 4 wird eine Bremseinrichtung 70 in der Gestalt eines veränderbaren elektrischen Widerstands gezeigt, der in den Regelzweig 13, nämlich zwischen den Frequenzumrichter 40 und die Regelmaschine 20 geschaltet werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass zumindest der Frequenzumrichter 40 mit einer niedrigen Nennleistung ausgelegt werden kann. Die Differenz zwischen der Nennleistung der Regelmaschine und des Frequenzumrichters kann mit der Bremseinrichtung 70 bzw. dem elektrischen Widerstand entzogen werden. Dementsprechend ist der elektrische Widerstand ausgelegt.
In 5 wird ein Antriebsstrang 1 mit zwei Bremseinrichtungen 70a, 70b gezeigt, wobei die Bremseinrichtung 70a der in 4 gezeigten Bremseinrichtung 70 und die Bremseinrichtung 70b der in 3 gezeigten Bremseinrichtung 70 entspricht, allerdings ohne Kupplung 71. Durch die Kombination dieser Bremsen 70a, 70b lassen sich die Vorteile einer mechanischen Bremse 70b mit den Vorteilen einer elektrischen Bremse 70a kombinieren. Bei der Ausführung aus 5 lässt sich die Bremse 70b optional so anordnen, wie für die Bremse 70 aus den 2a und 2b angegeben ist.
In den 6a bis 6e werden Ausführungen eines Überlagerungsgetriebes 10 für den Antriebsstrang aus den 2a und 2b gezeigt.
In 6a ist der Eingangszweig 11 bzw. die Eingangswelle mit dem Planetenträger 15, an dem die Planetenräder 16 drehbar gelagert sind, insbesondere drehfest verbunden. Das Sonnenrad 17 ist insbesondere drehfest mit dem Ausgangszweig 12 oder der Ausgangswelle verbunden. Das Hohlrad 18 ist fest mit einem Hohlradgehäuse verbunden, welches sich drehbar an der Ausgangswelle abstützt. Über den Außenumfang des Hohlradgehäuses ist eine Verzahnung 18a angebracht, mit der ein Zahnrad des Regelzweigs 13 kämmt. Mit dieser Verzahnung 18a des Hohlradgehäuses kämmt auch ein Zahnrad 19 des Bremszweigs 14, wobei die Bremse 70 und die Kupplung 71 über den Bremszweig 14 mit dem Zahnrad 19 verbunden sind. Dadurch, dass das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14 in die gleiche Verzahnung 18a eingreifen, ergibt sich ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Bremszweig 14 und dem Regelzweig 13.
6b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Überlagerungsgetriebes (10), das ein drehfest mit einer Eingangswelle 11 verbundenes erstes Sonnenrad 101 und ein drehfest mit der Ausgangswelle 12 verbundenes zweites Sonnenrad 201 aufweist. Mit dem ersten Sonnenrad 101 kämmt mindestens ein erstes Planetenrad 102, welches drehfest mit einem zweiten Planetenrad 202, das mit dem zweiten Sonnenrad 201 kämmt, verbunden ist. Das erste Planetenrad 102 und das zweite Planetenrad 202 sind drehbar an dem Planetenträger 15 angeordnet, der über seinen Außenumfang eine Außenverzahnung 15a aufweist, in welche ein Zahnrad des Ausgangszweigs 13 und ein Zahnrad 19 des Bremszweigs 14a eingreift, wobei diese Zahnräder in einem festen Übersetzungsverhältnis zueinander stehen. Hierdurch entsteht ein Überlagerungsgetriebe, welches auch als Plusgetriebe bezeichnet wird.
6c zeigt ein Überlagerungsgetriebe 10, dessen Hohlrad 18 über das Hohlradgehäuse mit dem Eingangszweig oder der Eingangswelle insbesondere drehfest verbunden ist. Der Ausgangszweig 12 oder die Ausgangswelle ist mit dem Sonnenrad 17 insbesondere drehfest verbunden. Die Planetenräder 16 sind drehbar an dem Planetenträger 15 angeordnet, das sich drehbar an der Ausgangswelle abstützt. Über den Umfang des Planetenträgers 15 ist eine Außenverzahnung 15a gebildet, in welche das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14 eingreifen. Hierdurch ergibt sich ebenfalls ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Regelzweig 13 und dem Bremszweig 14. Bezüglich der Ausgestaltung des Bremszweigs 14 wird auf 6a verwiesen.
Das Überlagerungsgetriebe 10 aus 6d weist ein Sonnenrad 17 auf, welches insbesondere drehfest mit dem Eingangszweig 11 oder der Eingangswelle verbunden. ist. Das Hohlrad 18 ist über das Hohlradgehäuse insbesondere drehfest mit dem Ausgangszweig 12 oder der Ausgangswelle verbunden. Der Planetenträger 15, der sich optional drehbar an der Eingangswelle abstützen kann, und der die Planetenräder 16 drehbar lagert, weist über seinen Umfang eine Außenverzahnung 15a auf. Mit dieser Außenverzahnung 15a kämmen das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14. Hierdurch ergibt sich ebenfalls ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Regelzweig 13 und dem Bremszweig 14. Für die Ausgestaltung des Bremszweigs 14 wird auf 6a verwiesen.
Das Überlagerungsgetriebe aus 6c weist ein Sonnenrad 17 auf, welches insbesondere drehfest mit dem Eingangszweig 11 oder der Eingangswelle verbunden ist. Der Planetenträger 15, der die Planetenräder 16 drehbar lagert, ist insbesondere drehfest mit dem Ausgangszweig 12 oder der Ausgangswelle verbunden. Das Hohlrad 18, dessen Hohlradgehäuse sich optional an der Eingangswelle oder der Ausgangswelle drehbar abstützen kann, weist über seinen Außenumfang eine Verzahnung 18a auf, mit dem das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14 kämmen, wodurch sich ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Regelzweig 13 und dem Bremszweig 14 ergibt. Für die Ausgestaltung des Bremszweigs 14 wird auf 6a verwiesen.
In dem Leistungsdiagramm einer Windturbine aus 7 wird mit der gestrichelten Kurve die maximale Windleistung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit angegeben. Mit der durchgezogenen Kurve wird die von dem Generator des Ausgangszweigs abgegebene Leistung dargestellt. Die abgegebene Leistung hängt insbesondere von der Windgeschwindigkeit und dem Pitchwinkel (Anstellwinkel) der Rotorblätter ab. Im Teillastbereich, in dem der Windrotor eine Leistung unterhalb seiner Nennleistung aufnimmt, sind die Rotorblätter mit ihrem optimalen Pitchwinkel angestellt, so dass die Leistungsausbeute aus dem Wind maximal ist. Im Volllastbereich, in dem der Windrotor seine Nennleistung aufnimmt, wird der Pitchwinkel mittels Pitchverstellung so verändert, dass der Windrotor nur einen Teil der maximal möglichen Windausbeute nutzt. Wenn der Pitchwinkel im Volllastbereich optimal, d. h. für maximale Leistungsausbeute angestellt wäre, würde die Leistungsaufnahme der parabolischen gestrichelten Linie folgen. Die Abweichung zwischen der gestrichelten und der durchgezogenen Linie im Teillastbereich ergibt sich insbesondere durch Verlustleistungen im Antriebsstrang. Die Verstellung des Pitch ist ein System, welches ein träges Regelverhalten hat. Die Rotorblätter können nach dem derzeitigen Stand der Technik bis zu 70 m lang sein, wodurch es zu Überschwingern bei der Nennleistung durch das im Zeitversatz eintretende Regelverhalten kommt. Aus diesem Grund ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bremseinrichtung vorteilhaft, die mittels des Regelkreises sehr schnell und zeitadäquat gesteuert bzw. geregelt wird.
Das Leistungsdiagramm aus 8 zeigt den Graphen für die von dem Windrotor aufgenommene Leistung. In einem ersten Abschnitt steigt die Leistung mit zunehmender Drehzahl des Rotors. In einem zweiten Abschnitt steigt die Leistung, wobei die Drehzahl des Rotors konstant bleibt. In einem dritten Abschnitt steigt die Leistung wieder mit zunehmender Drehzahl des Rotors. Der Windrotor wird im dritten Abschnitt im Volllastbereich und in den ersten und zweiten Abschnitten im Teillastbereich betrieben. Die Regelmaschine wird im ersten Abschnitt vorwiegend motorisch und im dritten Abschnitt vorwiegend generatorisch betrieben. Da die Drehzahl des Rotors im zweiten Bereich dessen Nenndrehzahl oder Grunddrehzahl entsprechen kann, kann die Regelmaschine idealisiert stillstehen, wobei die Regelmaschine in der Praxis auch im zweiten Bereich arbeitet, um Drehzahlschwankungen auszugleichen. In diesem quasistatischen Zustand kann die Bremseinrichtung in dem abzweigenden Zweig, insbesondere dem Brems- oder Regelzweig, als Haltebremse fungieren.
9 zeigt das Leistungsdiagramm einer herkömmlichen Windkraftanlage, wie sie in 1 dargestellt ist. Die von dem Generator des Ausgangszweigs aufgenommene Leistung ist mit der lang gestrichelten Linie angegeben. Die von der Regelmaschine aufgenommene bzw. abgegebene Leistung des Regelzweigs ist mit der kurz gestrichelten Linie angegeben. Die von dem Rotor abgegebene Leistung des Eingangszweigs ist mit der durchgezogenen Linie angegeben. Die angegebenen Drehzahlen sind quantitativ für den Eingangszweig angegeben. Die Drehzahlen für den Regelzweig und den Ausgangszweig sind lediglich qualitativ angegeben. Die Leistung im Ausgangszweig entspricht der Summe aus den Leistungen des Eingangszweigs und des Regelzweigs (Verluste der Überlagerungsgetriebes eingerechnet). Bei einer Eingangsleistung von knapp 4000 kW steigt die Drehzahl des Eingangszweigs oder der Eingangswelle, wodurch ein Volllastbetrieb stattfindet und der Regelzweig ebenfalls generatorisch angetrieben wird und Leistung aufnimmt. Wie aus dem Diagramm aus 9 ersichtlich, muss die Regelmaschine bei einer Drehzahl von 1500 l/min knapp 1000 kW Leistung in elektrische Energie umwandeln, was in etwa 28% der Leistung der Synchronmaschine des Ausgangszweigs und ca. 25% der Leistung des Eingangszweigs entspricht.
Aus den 10a und 10b ist der Effekt der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung ersichtlich. Da, wie in 9 angegeben, im Volllastbetrieb die abgeführte Leistung im Regelzweig 13 mit zunehmender Antriebsdrehzahl steigen würde und von der Regelmaschine 20 in elektrische Energie umgewandelt werden müsste, wird durch die Bremsung eine Leistungsbegrenzung für die Regelmaschine 20 erreicht, so dass diese trotz steigender aufgenommener Leistung des Rotors 50 mit ihrer Nennleistung oder nicht über ihrer Nennleistung betrieben wird. Die Leistung, welche die Nennleistung der Regelmaschine 20 übersteigt, wird durch die Bremseinrichtung 70 abgebaut, wie z. B. in Wärme umgewandelt. Der Effekt der Bremseinrichtung 70 wird in 10 durch die strichpunktierte Linie Ph1 am Ende des Graphen Ph1 + Ph2 für den Regelzweig gezeigt. Die Differenz zwischen dem Graphen Phi (Nennleistung der Regelmaschine) und dem Graphen Ph1 + Ph2 (Leistung im Regelzweig) ist die Leistung, welche durch die erfindungsgemäße Bremseinrichtung dem Antriebsstrang im Regelzweig (oder Bremszweig) entzogen wird. Die Nennleistung der Regelmaschine beträgt in diesem Beispiel in etwa < 5% der Nennleistung des Synchrongenerators.
Die Windturbine arbeitet somit im Teillast- und im Volllastbereich mit einem guten Wirkungsgrad. Ferner ist im Teillastbereich Energieerzeugung mit hohen Wirkungsgraden möglich. Durch Auslegung des Antriebsstrangs kann im Teillastbereich ein motorischer Betrieb der Regelmaschine vorliegen.
Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
1. Wirkungsgrad und Ertrag

– Die von der Regelmaschine erzeugte Leistung kann kleiner 5% der Eingangsleistung sein, wodurch ein maximaler Gesamtwirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich erzeugt wird.
– Indem alle Aggregate im Regelzweig 13 auf ein Minimum ausgelegt werden, verringern sich in diesem Leistungsfluss die Verlustleistungen der Aggregate, wodurch sich der Wirkungsgrad verbessert.
– Im Volllastbereich steht genügend Energie zur Verfügung, so dass eine Wirkungsgradbetrachtung hier nicht von Bedeutung ist.
– Im Volllastbereich kann es zu Böen oder kurzzeitigen Anstiegen der Windgeschwindigkeiten kommen, wobei es vorteilhaft ist, die Windturbine kurzzeitig zu schützen. Durch das Zuschalten einer geregelten temporären Bremse, insbesondere im Bremszweig oder im Regelzweig wird die Sicherheit der Windturbine erhöht.
– Der Einsatz von Drehstromgeneratoren auf Mittelspannungsebene (> 10 kV, > 34 kV) ermöglicht die Einsparung von Transformatoren von Niederspannungs- auf Mittelspannungsebene. Durch den Einsatz von Kabeln auf Mittelspannungsebene werden zusätzliche Verlustleistungen verringert.

2. Verringerung der Kosten

– Durch den niedrigen Leistungsfluss durch den Regelzweig 13 kann ein kleinerer Motor-Generator (Regelmaschine 20) und Frequenzumrichter 40 und Transformator 40 eingesetzt werden. Insbesondere können diese Komponenten ≤ 5% unter der Nennleistung der Windturbine, d. h. der zu erwartenden Eingangsleistung liegen.
– Der Einsatz von Drehstromgeneratoren auf Mittelspannungsebene ermöglicht die Einsparung von Transformatoren von Niederspannungs- auf Mittelspannungsebene und verringert die Kosten durch Einsatz von Kabeln auf Mittelspannungsebene.
– Der drehzahlvariable Antriebsstrang ermöglicht eine deutliche Reduzierung von Material und Bauraumvolumen.
– Der Einsatz von Standarddrehstrommotoren ist möglich.
– Bei geeigneter Wahl einer Bremse kann ein Kaltstartvermögen durch gezielte Wärmeabfuhr durch die Bremse durch die vom Wind erzeugte mechanische Energie genutzt werden.

3. Verbesserung der Stromeinspeisequalität

– Durch Einsatz von selbsterregten Drehstromsynchrongeneratoren kann die Blindleistungsregelung durch den Drehstromsynchrongenerator erfolgen, insbesondere ohne zusätzliche weitere Aggregate.
– Durch den geringen Leistungsfluss durch den Regelzweig ist der Leistungsfluss im Ausgangszweig stets dominant, so dass eine Blindleistungsregelung nur über den Drehstromgenerator (Synchrongenerator) erfolgt.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wobei die Anlage einen Antriebsstrang (1) aufweist, der umfasst: a) ein Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (13), wobei über den Eingangszweig (11) aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe (10) geführt wird, b) eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine (20) in dem Regelzweig (13), c) einen mit der Regelmaschine (20) gekoppelten Frequenzumrichter (40) und d) einen an das zu versorgende Stromnetz gekoppelten Generator (30) in dem Ausgangszweig (12), wobei mittels der Regelmaschine (20) das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antriebsstrang (1) mittels einer Bremseinrichtung (70), die in einem zwischen dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12) abzweigenden Zweig (13; 14) angeordnet ist, Leistung entzogen wird, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine (20) oder des Frequenzumrichters (40) ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antriebsstrang (1) mittels der Bremseinrichtung (70) soviel Leistung entzogen wird, dass die Regelmaschine (20) oder der Frequenzumrichter (40) insbesondere nur oder maximal mit seiner minimal ausgelegten Nennleistung arbeitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antriebsstrang (1) mittels der Bremseinrichtung (70) Leistung entzogen wird, wenn die über den Eingangszweig (11) zu dem Überlagerungsgetriebe (10) geführte Leistung größer als die Summe aus der Nennleistung der Regelmaschine (20) und der Nennleistung des Generators (30) oder größer als die Summe aus der Nennleistung des Frequenzumrichters (40) und der Nennleistung des Generators (30) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) überwiegend generatorisch im Volllastbereich und überwiegend motorisch im Teillastbereich arbeitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Überlagerungsgetriebes (10) eine variable Eingangsdrehzahl aus dem Eingangszweig (11) zu einer konstanten Ausgangsdrehzahl (12) zu dem Generator (30) hin übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (70) dem Antriebsstrang (1) Leistung entzieht, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als 10%, bevorzugt größer als 5% der über den Eingangszweig (11) zu dem Überlagerungsgetriebe (10) herangeführte Leistung ist.
Antriebsstrang (1) für eine Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, der Antriebsstrang (1) umfassend: a) ein Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (13), wobei über den Eingangszweig (11) aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe (10) führbar ist, b) eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine (20) in dem Regelzweig (13), c) einen mit der Regelmaschine (20) gekoppelten Frequenzumrichter (40) und d) einen an das zu versorgende Stromnetz koppelbaren Generator (30) in dem Ausgangszweig (12), wobei mittels der Regelmaschine (20) das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig (11) und denn Ausgangszweig (12) veränderbar ist, gekennzeichnet durch eine Bremseinrichtung (70), die in einem zwischen dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12) abzweigenden Zweig (13; 14) angeordnet und angepasst ist, dem Antriebsstrang (1) Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine (20) oder des Frequenzumrichters (40) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der abzweigende Zweig (13; 14) über das Überlagerungsgetriebe (10) von dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12), oder von dem Überlagerungsgetriebe (10) abzweigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der abzweigende Zweig der Regelzweig (13) insbesondere mit einem Bremszweig (14), oder ein von dem Regelzweig (13) separater Bremszweig (14) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (70) ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein elektrischer Widerstand (70a) ist, der zwischen den Frequenzumrichter (40) und die Regelmaschine (20) geschaltet ist oder wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, welche die Bremseinrichtung (70) ansteuert, um dem Antriebsstrang (1) Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine (20) oder des Frequenzumrichters (40) ist.
Verfahren oder Antriebsstrang (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremszweig (14) ein von dem Regelzweig (13) separater Zweig ist, der zusätzlich zu dem Regelzweig (13) von dem Überlagerungsgetriebe (10) abzweigt oder dass der Bremszweig (14) Teil des Regelzweigs (13) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) für eine Nennleistung kleiner oder gleich 10% oder 6% oder 5% der Nennleistung des Generators (30) ausgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung im Mittelspannungsbereich, insbesondere zwischen 1 kV und 75 kV ausgelegt sind.
Verfahren oder Antriebsstrang (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung zwischen 10 kV und 35 kV ausgelegt sind.
Verfahren oder Antriebsstrang (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung zwischen 2 kV und 15 kV, 40 kV und 75 kV ausgelegt sind.
Verfahren oder Antriebsstrang (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung zwischen 40 kV und 75 kV ausgelegt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (30) eine Drehstrommaschine, insbesondere eine Synchron-, Asynchron- oder Reluktanzmaschine ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (30) eine selbsterregte Synchronmaschine oder ein selbsterregter Synchrongenerator ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder Antriebsstrang (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (10) mindestens ein Einzelgetriebe (100; 200) umfasst oder an dem Generator (30) oder in einem Hauptgetriebe gebildet ist.
Windkraftanlage umfassend einen Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 7 bis 20 oder bei der das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgeführt wird.