DE102017116375A1 - Offshore-Windpark mit Hochspannungs-Gleichstrom-Seekabel - Google Patents

Offshore-Windpark mit Hochspannungs-Gleichstrom-Seekabel Download PDF

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Abstract

Offshore-Windpark (100) mit einer Mehrzahl von Offshore-Windenergieanlagen (10), wobei die Offshore-Windenergieanlagen (10) jeweils einen Synchrongenerator (13) mit einer Nieder- oder Mittelspannungswicklung, eine Regelungseinheit (14) zur Drehzahl- und Leistungsregelung mittels des Erregerstroms, und einen Transformator (15) zur Transformation der elektrischen Leistung von Nieder- oder Mittelspannung auf Hochspannung aufweisen, jede Offshore-Windenergieanlage (10) einen passiven Diodengleichrichter (16) zur Gleichrichtung des Hochspannungs-Drehstroms in Hochspannungs-Gleichstrom aufweist, wobei die Gleichrichter (16) der Offshore-Windenergieanlagen (10) im Bereich des Offshore-Windparks (100) miteinander parallel geschaltet sind, die mittels der Gleichrichter (16) parallel geschalteten Offshore-Windenergieanlagen (10) mittels eines Gleichstrom-Seekabels (20) mit einer landseitigen Umrichter-Station (30) verbunden sind und die Umrichter-Station (30) zur Wechselrichtung und Einspeisung der Windleistung in ein öffentliches Versorgungsnetz eingerichtet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Offshore-Windpark mit einer Mehrzahl von Offshore-Windenergieanlagen.
  • Zur elektrischen Energieübertragung über weite Entfernungen insbesondere von Offshore-Windparks zum Festland werden Systeme zur Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) verwendet, da ansonsten bei einer Drehstromübertragung in den Seekabeln durch den Kapazitätsbelag große Verluste entstehen würden.
  • Zur Ausbildung derartiger Offshore-HGÜ-Systeme werden daher üblicherweise in der Nähe eines Offshore-Windparks auf See Umrichter-Plattformen errichtet, auf denen der von den Windenergieanlagen erzeugte Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom gewandelt und als Gleichstrom über ein entsprechendes HGÜ-Seekabel zu einer Stromrichterstation an Land geleitet wird.
  • Die bekannten Offshore-HGÜ-Systeme sind aufgrund des hohen Gewichts und großen Volumens der verwendeten Umrichter im Aufbau grundsätzlich aufwändig.
  • Um diesen Arbeits- und Materialaufwand zu reduzieren, ist es aus der WO 2014/131457 A1 bekannt, die Umrichter-Station auf wenigstens zwei unabhängig voneinander aufgestellten Tragstrukturen verteilt anzuordnen, sodass die Umrichter-Station nicht mehr auf einer einzigen Tragstruktur lastet. Vielmehr wird das Gewicht dabei auf verschiedene Tragstrukturen verteilt, sodass auf die ansonsten üblichen, sehr aufwändigen Plattformen verzichtet werden kann.
  • Da auch diese Lösung bei objektiver Betrachtung aufwändig und im Sinne einer effizienten technischen Lösung unbefriedigend erscheint, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Aufwand für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung von einem Offshore-Windpark zu einer landseitigen Umrichter-Station weiter zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Offshore-Windpark mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Zeit-, Arbeits- und Materialaufwand für die Installation von Offshore-Windparks zu minimieren. Dieses erfolgt einerseits durch die geringe Komplexität des erfindungsgemäß ausgebildeten Offshore-Windparks an sich, der ohne Umrichter auf See auskommt, andererseits durch die Reduzierung der für die Installation notwendigen Komponenten. Zugleich wird die Zuverlässigkeit des Offshore-Windparks erhöht, ohne Kompromisse in der Effizienz eingehen zu müssen (d.h. dass der Energieertrag gegenüber bestehenden Systemen nach dem Stand der Technik identisch ist). Schließlich werden dadurch auch die Investitions- und Stromgestehungskosten von Offshore-Windenergie gesenkt.
  • Der Offshore-Windpark weist besonders bevorzugt folgende Merkmale auf:
    • • Parallelschaltung mehrerer Turbinen auf Hochspannungs-Gleichstrom-Ebene (HVDC), bspw. 100 kV (DC) auf See
    • • Vermeidung einer oder mehrerer Umformerplattformen auf See, da die Parallelschaltung der Turbinen im Fundament einer oder mehrerer Turbinen geschehen kann
    • • Seekabel von der Offshore-Windfarm in Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC), bspw. 100 kV (DC) zur Umrichter-Station an Land
    • • Umrichter-Station an Land zur Regelung der seeseitigen Gleichspannung und zur Wechselrichtung und Einspeisung der Windleistung in das öffentliche Versorgungsnetz
  • Jede Offshore-Windturbine eines derartigen Offshore-Windparks weist entsprechend besonders bevorzugt folgende Merkmale auf:
    • • Zwei stufige s Planetengetriebe
    • • Mittelschnell (Nenndrehzahl 200 - 600 Umdrehungen pro Minute) laufender Synchrongenerator mit Stromerregung und Nieder- oder Mittelspannungswicklung (690 V oder 3 kV)
    • • Regelungseinheit zur Drehzahlregelung der Windturbine (im Teillastbereich) und zur Leistungsregelung der Turbine (im Nennlastbereich), beides nur über den Erregerstrom des Synchrongenerators
    • • Transformator zur Transformation der elektrischen Leistung von Nieder- oder Mittelspannung auf Hochspannung, bspw. 66 kV (AC)
    • • Passiver Diodengleichrichter zur Gleichrichtung der elektrischen Leistung, so dass jede Turbine Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC) abgibt, bspw. 100 kV (DC)
  • Erfindungsgemäß ist also eine Offshore-Windpark mit einer Mehrzahl von Offshore-Windenergieanlagen vorgesehen, wobei die Offshore-Windenergieanlagen jeweils einen elektrisch erregten Synchrongenerator mit einer Nieder- oder Mittelspannungswicklung, eine Regelungseinheit zur Drehzahl- und Leistungsregelung mittels des Erregerstroms, und einen Transformator zur Transformation der elektrischen Leistung von Nieder- oder Mittelspannung auf Hochspannung aufweisen.
  • Darüber hinaus weist jede Offshore-Windenergieanlage einen passiven Diodengleichrichter zur Gleichrichtung des Hochspannungs-Drehstroms in Hochspannungs-Gleichstrom auf, wobei die Gleichrichter der Offshore-Windenergieanlagen im Bereich des Offshore-Windparks miteinander parallel geschaltet sind.
  • In jedem Fall sind die mittels der Mehrzahl von Gleichrichtern parallel geschalteten Offshore-Windenergieanlagen durch ein Gleichstrom-Seekabels mit einer landseitigen Umrichter-Station verbunden. Dabei ist die Umrichter-Station zur Wechselrichtung und Einspeisung der Windleistung in ein öffentliches Versorgungsnetz eingerichtet.
  • Nach einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Synchrongenerator zur Erzeugung einer Nieder- oder Mittelspannung von 690 V oder 3 kV, wobei der Transformator zur Transformation von 690 V oder 3 kV bevorzugt auf 66 kV eingerichtet ist.
  • Der Gleichrichter sind insbesondere zur Abgabe von 100 kV Gleichstrom eingerichtet.
  • Die Offshore-Windenergieanlagen weisen bevorzugt ein zweistufiges Planetengetriebe auf, wobei der Synchrongenerator als mittelschnell laufender Synchrongenerator mit einer Nenndrehzahl von 200 bis 600 Umdrehungen pro Minute ausgebildet ist.
  • Bei dem Gleichstrom-Seekabel handelt es sich insbesondere um ein Hochspannungs-Gleichstrom-Seekabel.
  • Weitere Vorteile des Offshore-Windparks ergeben sich im Hinblick auf dessen Errichtung und Wartung - wie beispielsweise aus der EP 2 129 906 B1 bekannt - wenn die Offshore-Windenergieanlagen des Offshore-Windparks mit einem Zweiblattrotor ausgestattet sind.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den beigefügten Zeichnungen dargestellten, besonders bevorzugt ausgestalteten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Offshore-Windparks nach der Erfindung;
    • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Offshore-Windparks nach der Erfindung; und
    • 3 eine schematische Ansicht einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage in einem Offshore-Windpark nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Offshore-Windparks nach der Erfindung.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Offshore-Windparks 100 mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Offshore-Windenergieanlagen 10. Wenngleich die Offshore-Windenergieanlagen 10 mit einem Dreiblatt-Rotor ausgestattet dargestellt sind, können die Offshore-Windenergieanlagen 10 auch Rotoren mit einer davon abweichenden Blattanzahl aufweisen. Insbesondere ist eine Ausgestaltung der Offshore-Windenergieanlagen 10 mit Zweiblatt-Rotoren für die Errichtung und Wartung des Offshore-Windparks 100 vorteilhaft.
  • Die im Bereich des Offshore-Windparks 100 miteinander parallel verschalteten Offshore-Windenergieanlagen 10 sind mittels eines Gleichstrom-Seekabels 20 mit einer landseitigen Umrichter-Station 30 verbunden, wobei die landseitige Umrichter-Station 30 zur Wechselrichtung und Einspeisung der Windleistung in ein öffentliches Versorgungsnetz eingerichtet und mit dem öffentlichen Versorgungsnetz verbunden ist.
  • Als ein zweites geringfügig hiervon abweichendes zweites Ausführungsbeispiel zeigt 2 eine schematische Darstellung eines Offshore-Windparks 100 mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten Offshore-Windenergieanlagen 10.
  • Bei diesem Beispiel wird vorteilhaft auf eine eigene Stützkonstruktion für die Parallelschaltung der einzelnen Offshore-Windenergieanlagen eines Offshore-Windparks und die Anbindung des Offshore-Windparks an die landseitige Umrichter-Station verzichtet, da die Anbindung an das landseitige Stromnetz - wie in 2 dargestellt - in oder an einer Offshore-Windenergieanlage 10 eingerichtet ist. Beispielsweise wird eine entsprechende Einrichtung für die Parallelschaltung der einzelnen Anlagen und die Anbindung des Offshore-Windparks an die landseitige Umrichter-Station im Turm oder Fundament einer Windenergieanlage 10 angeordnet sein.
  • Schließlich zeigt 3 eine schematische Ansicht einer besonders bevorzugt ausgestalteten Windenergieanlage 10 in einem Offshore-Windpark 100 nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Der in 1 gezeigte Offshore-Windpark 100 weist eine Mehrzahl von identisch ausgebildeten Offshore-Windenergieanlagen 10 auf, die im Bereich des Offshore-Windparks miteinander parallel verschaltetet und mittels eines Gleichstrom-Seekabels 20 mit einer landseitigen Umrichter-Station 30 verbunden sind.
  • Jede Offshore-Windenergieanlage 10 weist dabei einen wenigstens ein Rotorblatt aufweisenden Rotor 11 auf, der mit einem zweistufigen Planetengetriebe 12 verbunden ist. Der Abtrieb des Planetengetriebes ist seinerseits mit einem elektrisch erregten Synchrongenerator 13 verbunden, dessen Erregerstrom durch eine Steuerungseinheit 14 zur Drehzahlregelung der jeweiligen Offshore-Windenergieanlage 10 (im Teillastbereich) und zur Leistungsregelung der jeweiligen Offshore-Windenergieanlage 10 (im Nennlastbereich) genutzt wird.
  • Die vom Synchrongenerator 13 erzeugte elektrische Leistung, beispielsweise 100 Hz / 690 V Wechselstrom, wird vom Transformator 15 von der Nieder- oder Mittelspannung auf Hochspannung, beispielsweise 100 Hz / 66kV, transformiert und durch den passiven Diodengleichrichter 16 zu Hochspannungs-Gleichstrom gleichgerichtet, sodass im Gleichstrom-Seekabel 20 konstant 100 kV Gleichstrom vorliegen.
  • Landseitig wird der Gleichstrom durch Umrichter-Station 30 in Wechselstrom umgerichtet und in ein öffentliches Versorgungsnetz eingespeist.
  • 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
    • WO 2014/131457 A1 [0005]
    • EP 2129906 B1 [0018]

Claims (8)

  1. Offshore-Windpark (100) mit einer Mehrzahl von Offshore-Windenergieanlagen (10), wobei - die Offshore-Windenergieanlagen (10) jeweils o einen Synchrongenerator (13) mit einer Nieder- oder Mittelspannungswicklung, o eine Regelungseinheit (14) zur Drehzahl- und Leistungsregelung mittels des Erregerstroms, und o einen Transformator (15) zur Transformation der elektrischen Leistung von Nieder- oder Mittelspannung auf Hochspannung aufweisen, - jede Offshore-Windenergieanlage (10) einen passiven Diodengleichrichter (16) zur Gleichrichtung des Hochspannungs-Drehstroms in Hochspannungs-Gleichstrom aufweist, wobei die Gleichrichter (16) der Offshore-Windenergieanlagen (10) im Bereich des Offshore-Windparks (100) miteinander parallel geschaltet sind, - die mittels der Gleichrichter (16) parallel geschalteten Offshore-Windenergieanlagen (10) mittels eines Gleichstrom-Seekabels (20) mit einer landseitigen Umrichter-Station (30) verbunden sind und - die Umrichter-Station (30) zur Wechselrichtung und Einspeisung der Windleistung in ein öffentliches Versorgungsnetz eingerichtet ist.
  2. Offshore-Windpark (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchrongenerator (13) zur Erzeugung einer Nieder- oder Mittelspannung von 690 V oder 3 kV eingerichtet ist.
  3. Offshore-Windpark (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (15) zur Transformation von 690 V oder 3 kV auf 66 kV eingerichtet ist.
  4. Offshore-Windpark (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (16) zur Abgabe von 100 kV Gleichstrom eingerichtet ist.
  5. Offshore-Windpark (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offshore-Windenergieanlagen (10) ein zweistufiges Planetengetriebe (12) aufweisen.
  6. Offshore-Windpark (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchrongenerator (13) ein mittelschnell laufender Synchrongenerator mit einer Nenndrehzahl von 200 bis 600 Umdrehungen pro Minute ist.
  7. Offshore-Windpark (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichstrom-Seekabel (20) ein Hochspannungs-Gleichstrom-Seekabel ist.
  8. Offshore-Windpark (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offshore-Windenergieanlagen (10) einen Zweiblattrotor (11) aufweisen.
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