DE102018003031A1

DE102018003031A1 - Windenergieanlage mit erweitertem Überdrehzahlregler

Info

Publication number: DE102018003031A1
Application number: DE102018003031.9A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Hermann Letas
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit einem Umrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, und einer Steuereinrichtung, die den Betrieb der Windenergieanlage kontrolliert und den Windrotor vor Überdrehzahl schützt, wobei der Umrichter gesteuert wird von einer Umrichtersteuerung und einen maschinenseitigen Wechselrichter, einen netzseitigen Wechselrichter sowie einen dazwischen liegenden Zwischenkreis aufweist. Um ein verbessertes Verfahren zur Überdrehzahlregelung sowie eine entsprechende Windenergieanlage bereitzustellen, erfolgt der Schutz vor Überdrehzahl über mehr als zwei Überdrehzahlstufen gestuft und abhängig von der Drehzahl je nach Überdrehzahlstufe auf verschiedene Weise auf die Umrichtersteuerung eingewirkt wird, wobei bei einer ersten Überdrehzahlstufe gemäß einer ersten Weise eine Erhöhung der Spannung am maschinenseitigen Wechselrichter erfolgt, und/oder bei einer höheren Überdrehzahlstufe gemäß einer zweiten Weise eine Rotorspannung des Generators abgesenkt wird durch Einstellen zusätzlichen [untererregten] Blindstroms am maschinenseitigen Wechselrichter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator und einem Umrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, wobei der Umrichter einen an einen Rotor der doppelt gespeisten Asynchronmaschine angeschlossenen maschinenseitigen Wechselrichter und einen netzseitigen Wechselrichter umfasst, und einer Steuereinrichtung, die den Betrieb der Windenergieanlage kontrolliert und eine Umrichtersteuerung aufweist.
Moderne Windenergieanlagen, insbesondere solche höherer Leistungsklassen im Megawattbereich, sind drehzahlvariabel ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Drehzahl des Windrotors durch Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter an die jeweils vorherrschenden Windbedingungen angepasst werden kann. Während bei niedrigen Windgeschwindigkeiten eine niedrige Drehzahl eingestellt wird, wird entsprechend bei hohen Windgeschwindigkeiten eine große Drehzahl eingestellt. Bei konstantem Moment in der Rotorwelle zwischen Windrotor und Generator gilt hierbei, dass je höher die Drehzahl ist, desto höher die übertragende Leistung und damit auch der Ertrag der Windenergieanlage. Aber auch beim dynamischen Verhalten spielt die Drehzahl eine Rolle. So ist beispielsweise eine temporär erhöhte Drehzahl wichtig (Überdrehzahl), um das Einfallen von Windböen ausgleichen zu können.
Eine Schwierigkeit besteht darin, dass aufgrund von Grenzparametern in der Windenergieanlage bestimmte Höchst- und Mindestdrehzahlen einzuhalten sind. Ferner ist beim Generator die Rotorspannung abhängig von der Drehzahl, und zwar genauer gesagt von dem Schlupf des Generators. Ausgehend von einem Minimum bei der Synchrondrehzahl des Generators, steigt sowohl bei tieferen wie auch bei höheren Drehzahlen die Rotorspannung an. Wegen der begrenzten Spannungsfestigkeit der Komponenten der Windenergieanlage, insbesondere des Umrichters, darf die Rotorspannung nicht zu hoch werden. Eine höhere Spannungsfestigkeit der Komponenten steigert die Herstellungskosten deutlich.
Um den Mehraufwand zu vermeiden, werden zur Kostenoptimierung meist die Drehzahlbereiche der Windenergieanlagen zunehmend eingeschränkt. Das bedeutet, die Abschaltdrehzahl der Windenergieanlage wird gesenkt. Damit kommt es zu häufigeren Betriebsstilllegungen. Das ist ungünstig.
Zur Verbesserung der Überdrehzahlfestigkeit ist es bekannt, im dynamischen Bereich bei Windböen oder Störungen auf den Umrichter einzuwirken. Dies geschieht in der Weise, dass bei Erreichen einer festgelegten Maximalgrenze für die Spannung am Umrichter durch Veränderung der Blindleistungseinspeisung (in Richtung untererregt, d. h. induktiv) eine Spannungssenkung am Generator und damit am maschinenseitigen Wechselrichter des Umrichters erreicht wird. Der Blindstrom steigt an und damit die Gesamtstrombelastung des Wechselrichters. Sobald die Grenzströme von einem der Wechselrichter erreicht werden, muss die Windenergieanlage abgeschaltet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Überdrehzahlregelung sowie eine entsprechende Windenergieanlage bereitzustellen, mit dem dieser Nachteil vermieden werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem damit angetriebenen Generator mit einem Umrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, und einer Steuereinrichtung, die den Betrieb der Windenergieanlage kontrolliert und den Windrotor vor Überdrehzahl schützt, wobei der Umrichter gesteuert wird von einer Umrichtersteuerung und der Umrichter einen maschinenseitigen Wechselrichter, einen netzseitigen Wechselrichter sowie einen dazwischen liegenden Zwischenkreis aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schutz vor Überdrehzahl über mehr als zwei Überdrehzahlstufen gestuft erfolgt, und je nach Überdrehzahlstufe auf verschiedene Weise auf die Umrichtersteuerung eingewirkt wird, wobei bei einer ersten Überdrehzahlstufe gemäß einer ersten Weise eine Erhöhung der Spannung am maschinenseitigen Wechselrichter erfolgt, und/oder bei einer höheren Überdrehzahlstufe gemäß einer zweiten Weise eine Rotorspannung des Generators abgesenkt wird durch Einstellen zusätzlichen, vorzugsweise untererregten Blindstroms am maschinenseitigen Wechselrichter.
Zuerst seien einige verwendete Begriffe erläutert:

Unter Überdrehzahl wird eine Drehzahl verstanden, die oberhalb einer Nenndrehzahl liegt.
Unter einer Abschaltdrehzahl wird eine Drehzahl verstanden, bei welcher sich die Windenergieanlage selbsttätig abschaltet.
Unter untererregtem Blindstrom bzw. Blindleistung wird ein zum induktiven hin verschobener Blindstrom bzw. Blindleistung verstanden.

Ein Umrichter umfasst zwei Wechselrichter, die über einen Zwischenkreis verbunden sind. Meist handelt es sich bei dem Zwischenkreis um einen Gleichspannungszwischenkreis. Der maschinenseitige Wechselrichter ist derjenige, der mit dem Generator verbunden ist (in der Regel mit dem Rotor des Generators). Der netzseitige Wechselrichter ist entsprechend derjenige, der mit einem Netzanschluss verbunden ist.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch eine gezielte Kombination verschiedener Zusatzmaßnahmen den Maximalwert der Spannung zwischen maschinenseitigem Wechselrichter und Generator zu erhöhen. Die Erfindung sieht hierbei bestimmte Schaltbedingungen vor, bei welchen die jeweiligen unterschiedlichen Maßnahmen aktiviert werden. Als Schwellwerte hierfür fungiert eine Vielzahl von (mehr als zwei) Drehzahlstufen. Eine erste Weise liegt darin, dass durch geregeltes Anheben der Spannung im Zwischenkreis des Umrichters eine höhere Ausgangsspannung des (maschinenseitigen) Wechselrichters erreicht werden kann. Damit ergibt sich eine höhere Spannung am Rotor des Generators, was die Einstellung eines höheren Schlupfs am Generator ermöglicht, und damit eine größere Erhöhung der Drehzahl über die Synchrondrehzahl des Generators erlaubt. Die Erfindung macht sich hierbei die Erkenntnis zu Nutze, dass mit steigendem Schlupf die Rotorspannung ansteigt, was herkömmlicherweise den Drehzahlanstieg begrenzt. Durch Steigerung der Zwischenkreisspannung kann so - bei unverändertem Umrichter - die Ausgangsspannung des rotorseitigen Wechselrichters erhöht werden, und damit kann mehr Schlupf und somit eine höhere Drehzahl erreicht werden. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht darauf, sondern sieht weitere Überdrehzahlstufen vor, bei welchen auf eine andere Weise agiert wird. Diese andere Weise liegt insbesondere darin, zusätzlichen Blindstrom am Umrichter einzustellen, und zwar untererregten Blindstrom (also induktiven). Der zusätzliche Blindstrom führt über die Induktivitäten des Generators zu einem Spannungsabfall, sodass am Rotor des Generators eine höhere Spannung zugelassen werden kann, ohne dass es deswegen zu einer Überschreitung der zulässigen Maximalspannung am Umrichter kommt, genauer gesagt an dessen maschinenseitigen Wechselrichter.
Die Erfindung stellt damit zwei zusätzliche Weisen zur Erweiterung des Überdrehzahlbereichs zur Verfügung. Die eine Weise bedient sich einer Erhöhung der maximalen Spannung des Wechselrichters, und die andere Weise bedient sich einer Erzeugung eines größeren Spannungsabfalls zur Spannungssenkung. Es wird ein Erhöhen („Pushen“) der Wechselrichterspannung kombiniert mit einer Absenkung („Pull“), wobei es durch den zusätzlichen Blindstrom zu einem Spannungsabfall und damit zu einer Spannungssenkung kommt. Dieses auf den ersten Blick widersinnig erscheinende „Push/Pull“-Konzept bietet den erstaunlichen Vorteil, dass damit die Überdrehzahlfestigkeit gesteigert werden kann, und zwar ohne dass es dafür aufwendiger zusätzlicher Hardware bedarf.
Die Erfindung schafft somit durch eine spezielle Kombination eine Eskalationskaskade, die für sich genommen bekannte Maßnahmen geschickt verknüpft, um so auf effiziente Weise einen sicheren Betrieb auch bei verschiedenen Überdrehzahlstufen zu ermöglichen. Ein Abschalten der Windenergieanlage kann damit weitgehend vermieden werden. Robustheit gegenüber Überdrehzahl sowie die Betriebssicherheit steigen, ohne dass dazu eine aufwendige Verstärkung von Komponenten erforderlich wäre.
Mit Vorteil wird bei der ersten Weise eine Spannung des Zwischenkreises des Umrichters und/oder die Ausgangsspannung des maschinenseitigen Wechselrichters erhöht. Durch Erhöhen der Spannung des Zwischenkreises kann eine höhere sinusförmige Ausgangsspannung am maschinenseitigen Wechselrichter erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Ausgangsspannung des maschinenseitigen Wechselrichters auf andere Weise erhöht werden, beispielsweise durch eine Übermodulation. Dies bietet je nach Übermodulationsgrad, der vorzugsweise mindestens 30 %, vorzugsweise 50 % beträgt, den Vorzug, eine beträchtliche Spannungssteigerung erreichen zu können. Allerdings geschieht dies um den Preis, dass die Ausgangsspannung des maschinenseitigen Wechselrichters dann nicht mehr sinusförmig ist, sondern starke Oberschwingungen aufweist. Da diese starken Oberschwingungen induktive Elemente, insbesondere Filter, stark belasten, erfolgt vorteilhafterweise das Übermodulieren nur als letzter Schritt und/oder zeitlich beschränkt. Eine Überlastung von oberwellenempfindlichen Komponenten, wie beispielsweise Filter oder andere Induktivitäten, wird damit vermieden.
Bei der zweiten Weise erfolgt mit Vorteil das Einstellen des zusätzlichen Blindstrom in mehreren Schritten, umfassend einen ersten Schritt mit Erhöhen der induktiven Blindleistungsabgabe bis hin zu einer ersten Überstromgrenze, und einem zweiten Schritt mit einem nochmaligen Erhöhen der Blindleistungsabgabe über die Nenn-Blindleistungsabgabe bis zu einer zweiten Überstromgrenze, die vorzugsweise mindestens dem Doppelten der Nenn-Blindleistung entspricht. Es kann hier mit anfänglich kleineren Blindströmen begonnen werden, die sukzessive erhöht werden, und zwar bis sie (untererregt) den Nennwert des Blindstroms erreichen. Das ist dann die erste Überstromgrenze. Genügt dies noch nicht, dann erfolgt in einem zweiten Schritt eine weitere Steigerung des Blindstroms bis zu einer zweiten Überstromgrenze, die vorzugsweise mindestens dem Doppelten der Nenn-Blindleistung entspricht, wobei dann in der Regel auch der Maximalstrom des Wechselrichters bzw. Umrichters erreicht ist. Auf diese Weise kann der Spannungsbereich beträchtlich erweitert werden, allerdings um den Preis, dass nunmehr eine erhebliche Blindstromabgabe erfolgt und damit gegenüber dem Netz eine Blindleistungsführung nicht mehr eingehalten werden kann.
Zweckmäßigerweise ist weiter als Maßnahme vorgesehen, dass nach Überschreiten der zweiten Überstromgrenze eine Wirkleistungsabgabe vermindert wird, und der Blindstrom dabei weiter erhöht wird bis zu einer dritten Überstromgrenze. Es wird hierbei also eine Wirkstromsenkung durchgeführt, um zusätzlichen Blindstrom zulassen zu können. Zweckmäßigerweise geschieht dies etwa zum Dreifachen des Nennwerts (bzw. eine Maximalstromgrenze des Wechselrichters erreicht ist). Vorzugsweise ist hierzu mittels einer Kompensationseinheit eine Synchronisierung des maschinenseitigen Wechselrichters mit dem netzseitigen Wechselrichter vorgesehen, um das Auftreten einer Wirkleistungsfehlbalance zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die genannten Weisen sowie deren Schritte in einer vorbestimmten Reihenfolge durchgeführt werden, und zwar abhängig von der jeweiligen Überdrehzahlstufe. Damit kann ein günstiges und gut reproduzierbares Regelungsverhalten abhängig von der Rotordrehzahl erreicht werden.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine entsprechende Windenergieanlage mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Funktionsansicht des elektrischen Systems umfassend Generator und Umrichter;
3 eine Funktionsansicht zu einer Überdrehzahlschutzeinheit mit einer Umrichterregelung; und
4 Diagramme zur Wirkung der Erfindung bei verschiedenen Drehzahlen.

Eine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführte Windenergieanlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielhaft in 1 dargestellt.
Die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Windenergieanlage gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst einen Turm 10, an dessen oberem Ende eine Gondel 11 in Azimutrichtung schwenkbeweglich angeordnet ist. An einer Stirnseite der Gondel 11 ist ein Windrotor 12 mit mehreren Rotorblättern drehbar angeordnet, der über eine Rotorwelle 13 einen Generator 3 antreibt. Der Generator 3 ist ausgeführt als ein doppelt gespeister Asynchrongenerator mit einer Synchrondrehzahl nsync. Er wirkt zusammen mit einem Umrichter 4, und beide sind gemeinsam in der Gondel 11 angeordnet. Ferner in der Gondel 11 angeordnet sind eine Umrichtersteuerung 40, die den Umrichter und dessen Stromventile ansteuert zur Einstellung von Spannung und Phase, sowie eine Betriebssteuerung 2, die den Betrieb der Windenergieanlage insgesamt überwacht. An der Rotorwelle 13, die auch ein Getriebe (nicht dargestellt) umfassen kann, ist ein Drehzahlsensor 20 angeordnet, welcher die Drehzahl des Generators 3 erfasst. Das von dem Sensor erfasste Signal für die Drehzahl n ist angelegt über eine entsprechende Signalleitung (nicht dargestellt) an die Betriebssteuerung 2.
Die von dem Generator 3 zusammen mit dem Umrichter 4 erzeugte elektrische Energie wird über eine Leitung 15 geführt zu einem Anlagentransformator 17, der im Bereich eines Fuß des Turms 10 angeordnet ist. Der Anlagentransformator 17 ist dazu ausgebildet, die Spannung der von der Windenergieanlage üblicherweise auf (hohem) Niederspannungsniveau (Spannungen bis etwa 1000 V) erzeugten elektrischen Energie umzusetzen auf ein höheres Niveau, meist ein Mittelspannungsniveau im Bereich von 20 kV. Die Abgabe der elektrischen Leistung der Windenergieanlage 1 erfolgt schließlich über eine Anschlussleitung 18.
2 zeigt eine Funktionsansicht des elektrischen Systems der Windenergieanlage 1. Dort ist eine Variante dargestellt, bei der der Generator 3 und der Umrichter 4 nicht über eine gemeinsame Leitung wie in 1, sondern über zwei gesonderte Leitungen 14, 15 mit dem Anlagentransformator verbunden sind, wobei der Anlagentransformator 17' als Dreiwicklungstransformator ausgeführt ist. Dies bietet den Vorteil, dass unterschiedliche Spannungen in den beiden Leitungen 14, 15 eingestellt werden können.
Der Generator 3 umfasst einen Rotor 31 und einen Stator 32. Der Stator 32 ist unmittelbar an die Leitung 15 angeschlossen und über diese mit dem Anlagentransformator 17' verbunden, und zwar genauer gesagt mit dessen für den Stator vorgesehener Sekundärwicklung. In der Leitung ferner angeordnet ist ein Schalter 16 zum Abtrennen des Stators 32, insbesondere im Fall eines Stillstands der Windenergieanlage 1. Der Rotor 31 ist angeschlossen an den Umrichter 4. Dieser umfasst einen maschinenseitigen Wechselrichter 41 sowie einen netzseitigen Wechselrichter 42, die beide über einen dazwischen angeordneten Zwischenkreis 43 verbunden sind. Der Zwischenkreis 43 ist als Gleichspannungszwischenkreis ausgeführt und weist einen Speicherkondensator 44 zur Speicherung elektrischer Ladung sowie einen Chopper 45 auf, der im Bedarfsfall betätigt wird zum Abbau von überschüssiger Ladung im Zwischenkreis 43. Der netzseitige Wechselrichter 42 ist über die Anschlussleitung 14 mit einer zweiten Sekundärwicklung des Anlagentransformators 17' verbunden. An der Leitung 14 sind ferner eine Netzdrossel 46 sowie ein kapazitiver Netzfilter 47 angeordnet.
Die in der Verbindungsleitung zwischen Rotor 31 und maschinenseitigen Wechselrichter 41 herrschende Spannung wird als Rotorspannung U_R und die Spannung im Zwischenkreis wird als Spannung U_DC bezeichnet.
In der Leitung 15 zwischen dem Stator 32 und dem Anlagentransformator 17 ist ein Netzfilter 34 über eine Sicherung 33 angeschlossen.
Die Betriebssteuerung 2 umfasst einen in 3 gezeigten Überdrehzahlregler 5, an den ein Signal für die Drehzahl n angelegt ist. Der Überdrehzahlregler 5 weist einen Selektor 50 auf, der dazu ausgebildet ist, bei dem Vorliegen einer Überdrehzahl die von dem Drehzahlsensor 20 bestimmte Drehzahl n in Bezug auf ihre Überdrehzahl zu klassifizieren und entsprechend weitere Module zuzuschalten/abzuschalten. Dies wird nachfolgend näher erläutert:

Es sind verschiedene Überdrehzahlstufen I bis V gebildet, wie sie dargestellt sind in dem Diagramm gemäß 4. Die erste Stufe I beginnt bei Nenndrehzahl n_rated und endet bei einer ersten Grenzdrehzahl n₁ . Beispielswerte für die Nenndrehzahl und die erste Grenzdrehzahl sind 1160 min^-1 bzw. 1258 min^-1. Entsprechend ist eine zweite Überdrehzahlstufe II gebildet, die von der ersten Grenzdrehzahl n₁ bis zu einer zweiten Grenzdrehzahl n₂ reicht.
Ein Beispiel für die zweite Grenzdrehzahl n₂ ist 1306 min^-1. Eine dritte Überdrehzahlstufe III ist gebildet zwischen der zweiten Grenzdrehzahl n₂ und einer dritten Grenzdrehzahl n₃ . Ein Beispiel für die dritte Grenzdrehzahl ist 1360 min^-1. Eine vierte Überdrehzahlstufe IV ist gebildet zwischen der dritten Grenzdrehzahl n₃ und einer vierten Grenzdrehzahl n₄ . Ein Beispiel für die vierte Grenzdrehzahl n₄ ist 1440 min^-1. Darüber ist eine nach oben offene fünfte Überdrehzahlstufe V gebildet.

Der Überdrehzahlregler 5 weist ferner zwei Kanäle 6, 69 bzw. 7, 79 auf, mittels denen er drehzahlabhängig auf die Umrichtersteuerung 40 einwirkt. Die beiden Kanäle werden abhängig von der jeweiligen Überdrehzahlstufe I bis V geschaltet. Dies erfolgt gemäß der Erfindung gemäß folgendem Verfahren:

In einer ersten Überdrehzahlstufe I wird in einer ersten Weise verfahren mittels des Kanals 6, 69. Dazu weist der Kanal 6 eine Wirkeinheit 61 auf, die ausgebildet ist als ein Spannungserhöhungsglied zur temporären Erhöhung einer Zwischenkreisspannung U_DC des Umrichters 4. Das ist in 4a dargestellt. Es versteht sich, dass hierbei eine Wechselwirkung insbesondere mit dem Chopper 45 vorgesehen ist, so dass er bei dieser planvollen Anhebung der Spannung U_DC im Zwischenkreis 43 nicht anspricht. Durch die Anhebung der Spannung im Zwischenkreis 43 wird erreicht, dass der maschinenseitigen Wechselrichter 41 regelgerecht eine größere (sinusförmige) Rotorspannung U_R erzeugen kann. Damit kann die in der ersten Überdrehzahlstufe I auftretende Steigerung der Rotorspannung realisiert werden.

Bei dem Übergang zu der zweiten Überdrehzahlstufe II reicht diese Maßnahme meist nicht mehr aus. In diesem Fall sieht der Selektor 50 vor, dass auf eine zweite Weise reagiert wird und schaltet den zweiten Kanal 7 dazu. Dazu wählt er in der zweiten Überdrehzahlstufe eine Wirkeinheit des zweiten Kanals 7 aus, nämlich eine Überstromsteuerung 71. Die Überstromsteuerung 71 ist dazu ausgebildet, die Blindstromeinspeisung des maschinenseitigen Wechselrichters 41 mittels der Umrichtersteuerung 40 zu verändern. Dazu wird der Blindstrom I_Q untererregt eingestellt, und zwar bis hin zu dem Maximalwert des Blindstroms (untererregt), so genannter INDx1.0-Wert. Das ist in 4b dargestellt in der zweiten Überdrehzahlstufe II, also zwischen den Drehzahlgrenzen n₁ und n₂ . Damit kann der weiteren, durch die Drehzahlerhöhung in der zweiten Überdrehzahlstufe II auftretenden Steigerung der Rotorspannung begegnet werden. Eine Folge davon ist, dass die Blindstrom-/Spannungsführung gegenüber dem Netz 9 beeinträchtigt sein kann, d.h. es werden nicht mehr die ursprünglich eingestellten Sollwerte für Blindleistungseinspeisung/Spannungshaltung erreicht. Ob dies eintritt hängt aber davon ab, wie die vorher eingestellten Sollwerte waren.
Steigt die Drehzahl dennoch weiter an und erreicht die dritte Überdrehzahlstufe III, so schaltet der Selektor 50 eine Überstromsteuerung zweiter Art 72 als weitere Wirkeinheit des zweiten Kanals hinzu. Diese sieht das Einstellen eines überhohen Blindstroms bis hin zu einer zweiten Überstromgrenze vor, die vorzugsweise so hoch liegt, dass das 2,15-fache des Nennwerts der Blindleistung erreicht wird, so genannter INDx2.15-Wert. Das ist in 4b dargestellt in der dritten Überdrehzahlstufe III, also zwischen den Drehzahlgrenzen n₂ und n₃ . Hierbei ist die Blindstrom-/Spannungsführung gegenüber dem Netz 9 stets beeinträchtigt.
Für die nächste Überdrehzahlstufe IV sieht der Selektor 50 vor, dass als weitere Wirkeinheit ein Drosselmodul 73 zugeschaltet wird. Es ist dazu ausgebildet, dass der von dem Umrichter 4 erzeugte Wirkstrom I_P verringert wird, und zwar vorzugsweise bis zu etwa einem Drittel seines Nennwerts. Das ist dargestellt in 4c für die vierte Überdrehzahlstufe IV. Dank der Reduzierung des Wirkstroms kann zusätzlicher Blindstrom I_Q eingespeist werden, um so einer durch die weitere Überdrehzahl hervorgerufenen Spannungserhöhung begegnen zu können. Hierbei kann durch den zusätzlichen Blindstrom I_Q unter Einhaltung der Stromgrenzen des Umrichters 4 etwa der dreifache Wert der Nennblindleistung erreicht werden, so genannter
INDx3.0-Wert. Das ist in 4b dargestellt in der vierten Überdrehzahlstufe IV, also zwischen den Drehzahlgrenzen n₃ und n₄ . Für diesen extremen Fall wird vorzugsweise mittels einer Kompensationseinheit 74 zusätzlich auf den netzseitigen Wechselrichter 42 eingewirkt, um so für einen Ausgleich zwischen den beiden Wechselrichtern 41, 42 des Umrichters 4 zu sorgen.
Kann die Überdrehzahl damit immer noch nicht gestoppt werden, und erreicht die Drehzahl schließlich die fünfte Überdrehzahlstufe V, so sieht der Selektor das Betätigen eines Übermodulationsglieds 62 als weitere Wirkeinheit vor. Es bewirkt eine Übermodulation des Umrichters 4, und zwar insbesondere dessen rotorseitigen Wechselrichters 41. Durch die Übermodulation kann eine Erhöhung der maximalen Spannung des Wechselrichters 41 erreicht werden. Diese Erhöhung der Rotorspannung U_R ist dargestellt in 4d. Damit kann einer noch weiteren Spannungserhöhung aufgrund der nochmals erhöhten Überdrehzahl begegnet werden. Jedoch geht diese Erhöhung zu Lasten des Klirrfaktors des erzeugten Wechselspannungssignals. Daher sollte diese Betriebsart wegen der durch die Übermodulation hervorgerufenen hohen Oberschwingungen nicht lange anhalten, um die Netzfilter 34 und 47 nicht zu gefährden. Zweckmäßigerweise wirkt das Übermodulationsglied 62 zusammen mit einem Zeitglied 63 sowie einer Abschalteinrichtung 64. Das Zeitglied 63 ist dazu ausgebildet, eine Betätigungsdauer der Übermodulation zu begrenzen, und die Abschalteinrichtung 64 wirkt auf die Betriebssteuerung 2 ein, um schließlich die Windenergieanlage 1 abzuschalten und den Schalter 16 zu öffnen.
Die Kanäle 6, 7 mit ihren Wirkmodulen 61, 62 bzw. 71, 72, 73 und 74 bilden somit zusammen mit dem Selektor 50 eine Eskalationseinheit. Die Erfindung erreicht somit durch eine spezielle Kombination von aufeinander aufbauenden Eskalationsstufen eine zweckmäßige wie wirksame Erhöhung der Überdrehzahlfestigkeit, ohne dass dazu eine aufwendige Verstärkung von Komponenten erforderlich wäre.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit einem Umrichter zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz, und einer Steuereinrichtung, die den Betrieb der Windenergieanlage kontrolliert und den Windrotor vor Überdrehzahl schützt, wobei der Umrichter gesteuert wird von einer Umrichtersteuerung und einen maschinenseitigen Wechselrichter, einen netzseitigen Wechselrichter sowie einen dazwischen liegenden Zwischenkreis aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutz vor Überdrehzahl über mehr als zwei Überdrehzahlstufen gestuft erfolgt, und abhängig von der Drehzahl je nach Überdrehzahlstufe auf verschiedene Weise auf die Umrichtersteuerung eingewirkt wird, wobei bei einer ersten Überdrehzahlstufe gemäß einer ersten Weise eine Erhöhung der Spannung am maschinenseitigen Wechselrichter erfolgt, und/oder bei einer höheren Überdrehzahlstufe gemäß einer zweiten Weise eine Rotorspannung des Generators abgesenkt wird durch Einstellen zusätzlichen [untererregten] Blindstroms am maschinenseitigen Wechselrichter.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten Weise eine Zwischenkreisspannung des Umrichters und/oder Ausgangsspannung des maschinenseitigen Wechselrichters erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der zweiten Weise das Einstellen des zusätzlichen Blindstroms in mehreren Schritten erfolgt, umfassend einen ersten Schritt mit Erhöhen der induktiven Blindleistungsabgabe bis zu einer ersten Überstromgrenze, und einem zweiten Schritt mit einem nochmaligen Erhöhen der Blindleistungsabgabe über die Nenn-Blindleistungsabgabe bis zu einer zweiten Überstromgrenze, die vorzugsweise mindestens das Doppelte der Nenn-Blindleistung beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt nach Überschreiten der zweiten Überstromgrenze eine Wirkleistungsabgabe vermindert wird, vorzugsweise auf ein Drittel, und der Blindstrom weiter erhöht wird bis zu einer dritten Überstromgrenze.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Ausgangsspannung des Umrichters, insbesondere des maschinenseitigen Wechselrichters, eine Übermodulation erfolgt, vorzugsweise mit einem Übermodulationsgrad von mindestens 30 %, vorzugsweise 50 %.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übermodulation zeitlich begrenzt wird, und vorzugsweise als letzter Schritt erfolgt und kombiniert ist mit einem Abschaltsignal zum Abschalten der Windenergieanlage.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weisen und die Schritte in einer vorbestimmten Reihenfolge durchgeführt werden, und zwar je nach Überdrehzahlstufe.
Windenergieanlage mit einem Windrotor (12), einem damit angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator (3) mit einem Umrichter (4) zur Einspeisung elektrischer Leistung in ein Netz (9), und einer Steuereinrichtung (2), die den Betrieb der Windenergieanlage kontrolliert und einen Überdrehzahlschutz des Windrotors (12) umfasst, wobei der Umrichter (4) gesteuert ist von einer Umrichtersteuerung (40) und einen maschinenseitigen Wechselrichter (41), einen netzseitigen Wechselrichter (42) sowie einen dazwischen liegenden Zwischenkreis (43) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdrehzahlschutz als ein drehzahlgeführter Überdrehzahlregler (5) mit mehr als zwei Überdrehzahlstufen (I bis V) ausgeführt ist, an den eine Drehzahl (n) als Eingangssignal angelegt ist und der mehrkanalig über verschiedene Kanäle (6, 7) mit der Umrichtersteuerung (40) zusammenwirkt, wobei ein erster Kanal (6) und ein zweiter Kanal (7) abhängig von der Überdrehzahlstufe (I bis V) geschaltet sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal (6) auf eine Umrichterspannung einwirkt, insbesondere Zwischenkreisspannung und/oder Ausgangsspannung des maschinenseitigen Wechselrichters.
Windenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal (7) auf Blindleistung des maschinenseitigen Wechselrichters (41) wirkt.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (6, 7) mehrere unterschiedliche Wirkeinheiten (61, 62, 73, 72, 73, 74) aufweisen, die auf jeweils verschiedene Weise auf den Umrichter wirken, wobei die Wirkeinheiten von einer Auswahleinheit (50) je nach Überdrehzahl in vorbestimmter Sequenz geschaltet sind.
Windenergieanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wirkeinheit ausgebildet ist als ein Spannungserhöhungsglied (61) zur temporären Erhöhung einer Zwischenkreisspannung des Umrichters (4) und/oder eine weitere Wirkeinheit vorgesehen ist, die als ein Übermodulationsglied (62) ausgebildet ist zur Erhöhung einer Ausgangsspannung des Umrichters (4), insbesondere des maschinenseitigen Wechselrichters (41), vorzugsweise mit einem Übermodulationsgrad von mindestens 30 %, vorzugsweise 50 %.
Windenergieanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Wirkeinheit vorgesehen ist, die als Überstromsteuerung erster Art (71) ausgebildet ist für eine erhöhte induktive Blindleistungsabgabe bis zu einer ersten Überstromgrenze (INDx1), und vorzugsweise ferner als eine Überstromsteuerung zweiter Art (72) ausgebildet ist, welche eine nochmals erhöhte Blindleistungsabgabe über der Nenn-Blindleistungsabgabe einstellt bis zu einer zweiten Überstromgrenze (INDx2.15), die vorzugsweise mindestens das Doppelte des Nennblindstroms beträgt.
Windenergieanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromsteuerung zweiter Art (72) mit einem Drosselmodul (73), das zur Verringerung der Wirkleistungsabgabe auf vorzugsweise ein Drittel ausgebildet ist, derart zusammenwirkt, dass das Drosselmodul erst bei Erreichen der zweiten Überstromgrenze (INDx2.15) betätigt ist, wobei der Blindstrom weiter erhöht wird bis zu einer dritten Überstromgrenze (INDx3.0).
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Übermodulationsglied (62) mit einem Zeitglied (63) zusammenwirkt, welches eine Betätigungsdauer des Übermodulationsglieds begrenzt, und ferner mit einer Abschalteinrichtung (64) zusammenwirkt, welche die Windenergieanlage abschaltet.