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Die vorliegende Erfindung betrifft einen eine Leistungsflusseinheit aufweisenden Windpark sowie eine solche Leistungsflusseinheit.
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Windparks weisen üblicherweise eine Vielzahl von Windenergieanlagen auf, die über ein gemeinsames Windparknetz miteinander verbunden sind.
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Um die mittels der Windenergieanlagen erzeugte elektrische Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz einzuspeisen, wird das Windparknetz üblicherweise ferner mittels einer Verbindungsleitung und eines Transformators an das elektrische Versorgungsnetz angeschlossen.
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Die zunehmende Durchdringung des elektrischen Versorgungsnetzes mit umrichtergespeisten Erzeugern, wie bspw. Windenergieanlagen und Photovoltaikanlagen, führt zu einer zunehmenden Verdrängung konventioneller Erzeuger, wie bspw. Kohlekraftwerken, die üblicherweise einen Synchrongenerator aufweisen, der direkt an das elektrische Versorgungsnetz gekoppelt ist.
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Durch diese Veränderungen verschiebt sich ebenfalls das Systemverhalten des elektrischen Versorgungsnetzes, wodurch Windenergieanlagen immer strengere Anforderungen erfüllen müssen, um sowohl stabil am elektrischen Versorgungnetz betrieben werden zu können, als auch das elektrische Versorgungsnetz stabil zu betreiben.
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Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden immer modernere Regelverfahren geschaffen, die aufwendig in jeder Windenergieanlage einzeln implementiert und notfalls auch mit Hardware installiert werden müssen.
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Diese Vorgehensweise ist üblicherweise äußerst kostspielig oder kann manchmal in bereits bestehenden Windenergieanlagen aus technischen Gründen nicht realisiert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eines der oben genannten Probleme zu adressieren, den allgemeinen Stand der Technik zu verbessern oder eine Alternative zu bisher Bekanntem bereitzustellen. Insbesondere soll eine verbesserte Verbindung zwischen Windpark und elektrischem Versorgungsnetz bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Windpark zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Der Windpark umfasst hierfür eine Vielzahl von Windenergieanlagen, die bspw. einen Synchrongenerator mit Vollumrichter aufweisen.
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Die Windenergieanlagen selbst sind mittels eines elektrischen Windparknetzes miteinander verbunden, bspw. weisen die Windenergieanlagen hierfür einen Transformator auf, der zwischen dem Vollumrichter und dem Windparknetz angeordnet ist.
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Das Windparknetz selbst, welches als Wechselstromnetz oder als Gleichstromnetz ausgebildet sein kann, weist genauso wie das elektrische Versorgungsnetz elektrische Kenngrößen auf, wie bspw. Spannung und Nenn-Spannung oder Frequenz und Nenn-Frequenz.
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Die Nenn-Spannung des Windparknetzes, die Windpark-Nenn-Spannung, ist dabei bevorzugt kleiner als die Nenn-Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes, die Versorgungsnetz-Nenn-Spannung. Bspw. beträgt die Windparknetz-Nenn-Spannung 630V und die Versorgungsnetz-Nenn-Spannung 10kV oder 20kV.
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Um von der Windparknetz-Nenn-Spannung zur Versorgungsnetz-Nenn-Spannung zu gelangen, weisen Windparks üblicherweise einen Transformator auf.
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Nachteilig bei dieser üblichen Lösung ist, dass ein Transformator nur dazu eingerichtet ist, die Spannungsamplitude zu stellen, aber nicht die Frequenz.
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Hierdurch müssen sämtliche Regelverfahren in jeder einzelnen Windenergieanlage implementiert werden, was sehr kostspielig sein kann.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, eine Leistungsflusseinheit für die Verbindung zwischen Windparknetz und elektrischem Versorgungsnetz zu verwenden.
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Die Leistungsflusseinheit ist somit wenigstens dazu eingerichtet, das elektrische Windparknetz und das elektrische Versorgungsnetz so miteinander zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
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Die Leistungsflusseinheit ist somit bevorzugt auf einer bzw. der Verbindungsleitung zwischen Windpark und elektrischem Versorgungsnetz angeordnet und dazu eingerichtet, die gesamte Windparkleistung zu führen.
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Zudem weist die Leistungsflusseinheit wenigstens einen Gleichstrom-Zwischenkreis auf, der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung zu führen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichstrom-Zwischenkreis hierfür modular ausgeführt bzw. aus mehreren Leistungsschränken ausgebildet.
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Ferner weist die Leistungsflusseinheit einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis verbundenen elektrischen Energiespeicher auf.
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Der elektrische Energiespeicher kann bspw. eine elektrische Batterie sein, wobei die Leistungsklasse entsprechend der Windparkleistung gewählt ist, insbesondere um die von einer Steuereinheit abgerufenen Funktion für die Leistungsflusseinheit unabhängig der momentanen Leistung der Windenergieanlagen zu realisieren. Bspw. ist der elektrische Energiespeicher so ausgeführt, dass er wenigstens 30 Prozent der Windpark-Nennleistung für wenigstens 20 Sekunden bereitstellen kann. Der elektrische Energiespeicher ist somit wenigstens dazu eingerichtet, einen Schwarzstart des Windparks zu ermöglichen.
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Darüber hinaus weist die Leistungsflusseinheit auch einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis verbundenen Wechselrichter auf, der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung in das elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen. Bevorzugt wird der Wechselrichter mittels eines Toleranzbandverfahrens angesteuert.
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Die Leistungsflusseinheit ist somit so aufgebaut, dass der Leistungsfluss, der durch die Windenergieanlagen erzeugt wirkt, vom Windparknetz, in den Zwischenkreis, zum Wechselrichter und dann in das elektrische Versorgungsnetz erfolgt. Bevorzugt ist der Wechselrichter hierfür modular aufgebaut, bzw. weist eine Vielzahl von parallel geschalteten Leistungsschränken auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leistungsflusseinheit bzw. deren Bauteile wenigstens so dimensioniert, dass die Leistungsflusseinheit die Nenn-Leistung des Windparks führen kann, die sich bspw. aus der Summe der Nenn-Leistungen der Windenergieanlagen ergibt. Sofern weitere Erzeuger oder Speicher im elektrischen Windparknetz angeordnet sind, werden diese bevorzugt bei der Bestimmung der Nenn-Leistung des Windparks berücksichtigt.
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Bevorzugt ist der elektrische Speicher ferner so ausgeführt, dass er wenigstens eine Speicherkapazität von 20 Prozent der Windpark-Nenn-Leistung bzw. einer Windpark-Spitzenleistung aufweist.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Leistungsflusseinheit und insbesondere der Wechselrichter somit wenigstens so dimensioniert, dass die Leistungsflusseinheit 120 Prozent der Nenn-Leistung des Windparks führen kann.
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Besonders vorteilhaft durch die Anordnung eines Wechselrichters zwischen Windparknetz und dem elektrischen Versorgungsnetz ist, dass sowohl die Spannung als auch die Frequenz gestellt werden können. Hierdurch ist es bspw. möglich, frequenzsteuernde Verfahren direkt in der Leistungsflusseinheit zu implementieren. Auf diese Weise kann bspw. auf eine Blindleistungssteuerung innerhalb der Windenergieanlagen verzichtet werden. Ferner hat dies den Vorteil, dass frequenzsteuernde Verfahren nicht in jeder einzelnen Windenergieanlage des Windparks installiert werden müssen, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeuten kann.
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Sofern die Leistungsflusseinheit zudem eine galvanische Trennung aufweist, bspw. durch einen Gleichspannungswandler, kann zudem auf den üblichen Windparktransformator verzichten werden. Darüber hinaus ist es dann auch möglich, mittels eines weiteren Wechselrichters spannungsprägend auf das Windparknetz zu wirken.
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Ferner weist die Leistungsflusseinheit zudem eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter so anzusteuern, dass der Windpark am elektronischen Versorgungsnetz statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
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Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Leistungsflusseinheit wie eine virtuelle Synchronmaschine arbeitet. D.h., dass der Windpark aus Sicht des elektrischen Versorgungsnetzes wie ein großer Synchrongenerator wirkt.
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Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass, obwohl die einzelnen Windenergieanlagen umrichtergesteuert sind, der Windpark für das elektrische Versorgungsnetz wie ein Synchrongenerator aussieht.
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Dies hat wiederum zur Folge, dass erfindungsgemäß konventionelle Kraftwerke durch Windparks leistungsgerecht ersetzt werden können, ohne dass sich das Systemverhalten des elektrischen Versorgungsnetzes signifikant ändert. Dies kann insbesondere auch dadurch erreicht werden, dass bei bereits bestehenden Windparks eine erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit zwischen Windparknetz und elektrischem Versorgungsnetz installiert wird.
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Erfindungsgemäß wird somit insbesondere eine Einheit, nämlich eine Leistungsflusseinheit, am Windparkanschlusspunkt vorgeschlagen, die eine Art von „Adapter“ für den Windpark darstellt, damit der Entwicklungsaufwand reduziert wird.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann zudem ein Gleichrichter bzw. Wechselrichter windparknetzseitig in der Leistungsflusseinheit vorgesehen sein und die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Leistungselektronik der Leistungsflusseinheit so anzusteuern, dass die Leistungsflusseinheit spannungsprägend auf das Windparknetz wirkt.
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Hierdurch erhöht sich zusätzlich die Stabilität der Anlagen und ermöglicht es, einen Windpark in einem elektrischen Versorgungsnetz mit sehr niedrigem Kurzschlussverhältnis (englischer Fachbegriff: Short circuit ratio, SCR) zu betreiben. Der Windpark und/oder die Leistungsflusseinheit sind somit besonders gut für schwache Netze geeignet, also elektrische Versorgungsnetze mit einem sehr niedrigen Kurschlussverhältnis am Netzanschlusspunkt des Windparks.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vorstehend oder nachstehend beschriebene Leistungsflusseinheit als smart transformer ausgebildet.
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Vorzugsweise weist die Leistungsflusseinheit ferner einen mit dem elektrischen Windparknetz und mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis verbundenen Gleichrichter auf, der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung zu führen.
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Die Leistungsflusseinheit weist somit windparknetzseitig einen weiteren Wechselrichter auf bzw. einen aktiv gesteuerten Gleichrichter bzw. einen AC/DC-Wandler.
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Die Leistungsflusseinheit selbst weist somit ein Vollumrichter-Konzept auf, welches ein wechselstromführendes Windparknetz mit einem wechselstromführenden Versorgungsnetz verbindet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichrichter aktiv gesteuert und wirkt auf das Windparknetz spannungsprägend.
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Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass ein solcher Gleichrichter die im Windpark befindlichen Windenergieanlagen zusätzlich stabilisiert.
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Vorzugsweise weist die Leistungsflusseinheit ferner einen Gleichspannungswandler auf, der so zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter angeordnet ist, dass die Leistungsflusseinheit einen weiteren Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweist, insbesondere, wobei der Gleichspannungswandler eine galvanische Trennung zwischen Gleichrichter und Wechselrichter ermöglicht.
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Die Leistungsflusseinheit weist somit einen ersten Gleichspannungs-Zwischenkreis zwischen Gleichrichter und Gleichspannungswandler und einen zweiten Gleichspannungs-Zwischenkreis zwischen Gleichspannungswandler und Wechselrichter auf.
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Der Gleichspannungswandler ist insbesondere dazu eingerichtet, eine galvanische Trennung zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter zu ermöglichen.
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Dies ermöglicht insbesondere, dass die Windenergieanlagen vom elektrischen Versorgungsnetz entkoppelt sind, was eine einfachere Ausgestaltung der Windenergieanlagen ermöglicht. Bspw. kann so auf eine Blindleistungsstellung der Windenergieanlagen verzichtet werden, da die Blindleistungsstellung des Windparks durch die erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit vorgenommen wird.
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Vorzugsweise weist die Leistungsflusseinheit ferner einen Gleichspannungswandler zwischen dem Gleichstrom-Zwischenkreis und dem elektrischen Energiespeicher auf, der insbesondere so ausgebildet ist, dass der elektrische Energiespeicher unabhängig eines Leistungsflusses zwischen Windpark und elektrischem Versorgungsnetz elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgeben kann.
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Es wird also ferner vorgeschlagen, dass auch der elektrische Speicher galvanisch entkoppelt ist, insbesondere vom Gleichspannungs-Zwischenkreis der Leistungsflusseinheit.
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Dies ermöglicht insbesondere, dass der elektrische Speicher im Wesentlichen unabhängig vom Betriebszustand des elektrischen Versorgungsnetzes oder Windparks betrieben werden.
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Vorzugsweise ist der elektrische Energiespeicher mit dem Gleichspannungszwischenkreis zwischen dem Gleichspannungswandler, der zwischen Gleichrichter und Wechselrichter angeordnet ist, und dem Wechselrichter verbunden.
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Vorzugsweise ist die Leistungsflusseinheit so ausgebildet, dass der Windpark spannungsprägend am elektrischen Versorgungsnetz betrieben werden kann. Die Leistungsflusseinheit ist somit dazu eingerichtet, eine Spannung bereitzustellen, auch wenn keine Last angeschlossen ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Leistungsflusseinheit dazu eingerichtet ist, eine Spannung bereitzustellen ohne einen Strom einzuspeisen.
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Erfindungsgemäß wird ferner eine Leistungsflusseinheit vorgeschlagen, die wie vorstehend oder nachstehend beschrieben ausgeführt ist.
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Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage eines erfindungsgemäßen Windparks,
- 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks in einer Ausführungsform und
- 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks in einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt eine Windenergieanlage 100 eines erfindungsgemäßen Windparks.
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Die Windenergieanlage 100 weist hierzu einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an. Der Generator erzeugt hierdurch einen Strom, der mittels eines Vollumrichters auf einen Windenergieanlagentransformator gegeben wird, der mit einem Windparknetz verbunden ist.
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2 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks 1000 in einer Ausführungsform.
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Der Windpark 1000 ist zum Einspeisen elektrischer Leistung am Netzverknüpfungspunkt PCC mit einem elektrischen Versorgungsnetz 2000 verbunden, wobei das Versorgungsnetz 2000 eine Versorgungsnetz-Spannung U_Netz, eine Versorgungsnetz-Nenn-Spannung U_Netz_Nenn, eine Versorgungsnetz-Frequenz f_Netz und eine Versorgungsnetz-Nenn-Frequenz f_Netz-Nenn aufweist.
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Der Windpark 1000 umfasst hierfür eine Vielzahl von Windenergieanlagen 1100, bspw. vier Windenergieanlagen 100, wie bevorzugt in 1 gezeigt, die jeweils eine Windenergieanlagenleistung P_WEA erzeugen.
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Die Vielzahl von Windenergieanlagen 1100 sind über ein gemeinsames elektrisches Windparknetz 1200 miteinander verbunden, wobei das Windparknetz 1200 eine Windpark-Spannung U_Park, eine Windpark-Nenn-Spannung U_Park_Nenn, eine Windpark-Frequenz f_Park und eine Windpark-Nenn-Frequenz f_Park_Nenn aufweist.
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Zum Einspeisen der elektrischen Windparkleistung P_PARK, die sich aus den einzelnen Windenergieanlagenleistungen P_WEA zusammensetzt, in das elektrischen Versorgungsnetz 2000, weist das Windparknetz 1200 eine Verbindungsleitung 1210 zum Netzverknüpfungspunkt PCC auf.
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Auf dieser Verbindungsleitung 1210 ist die erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit 1300 angeordnet. Bevorzugt wird somit die gesamte Windparkleistung P_Park über die Leistungsflusseinheit 1300 geführt.
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In dieser Ausführungsform ersetzt somit die Leistungsflusseinheit 1300 den üblichen Windparktransformator.
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Die Leistungsflusseinheit 1300 ist somit dazu eingerichtet, das elektrische Windparknetz 1200 und das elektrische Versorgungsnetz 2000 so miteinander zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 1200 eingespeist werden kann.
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Hierfür weist die Leistungsflusseinheit 1300 einen Gleichrichter 1310, einen ersten Gleichspannungszwischenkreis 1320, einen Gleichspannungswandler 1330, einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis 1340, einen Wechselrichter 1350, einen weiteren Gleichspannungswandler 1360, einen elektrischen Speicher 1370 und eine Steuereinheit 1390 auf.
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Der Gleichrichter 1310 ist mit dem elektrischen Windparknetz 1200 und dem ersten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1320 verbunden und dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA zu führen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichrichter 1310 aktiv gesteuert und wirkt auf das Windparknetz 1200 spannungsprägend.
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Der erste Gleichspannungs-Zwischenkreis 1320 ist mit dem Gleichrichter 1310 und dem zweiten Gleichspannungswandler 1330 verbunden.
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Der Gleichspannungswandler 1330 ist dem ersten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1320 und dem zweiten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 verbunden. Der Gleichspannungswandler 1330 ist somit so zwischen dem Gleichrichter 1310 und dem Wechselrichter 1350 angeordnet, dass die Leistungsflusseinheit 1300 einen ersten und einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis 1320, 1340 aufweist.
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Der zweite Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 ist mit dem Gleichspannungswandler 1340, dem Wechselrichter 1350 und dem zweiten Gleichspannungswandler 1360 verbunden.
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Der Wechselrichter 1350 ist mit dem zweiten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem Netzverknüpfungspunkt PCC verbunden. Der Wechselrichter ist somit dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 2000 einzuspeisen.
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Der zweite Gleichspannungswandler 1360 ist mit dem zweiten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem elektrischen Energiespeicher 1370 verbunden. Der elektrische Energiespeicher 1370 ist somit mit dem Gleichspannungszwischenkreis 1340 zwischen Gleichspannungswandler 1330 und Wechselrichter 1350 verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der elektrischen Energiespeicher 1370 und der Gleichspannungswandler 1360 als eine Baugruppe ausgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass sie eine zugeordnete Steuergruppe aufweisen, die für die Interaktion zwischen Energiespeicher 1370 und Gleichspannungswandler 1360 zuständig ist.
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Die Gleichspannungswandler 1330, 1360 ermöglichen dabei insbesondere einen Leistungstransport in zwei Richtungen. So ermöglicht der Gleichspannungswandler 1330 in den Gleichspannungszwischenkreis 1320, 1340, dass die Leistungsflusseinheit 1300 Wirk- und/oder Blindleistung aufnehmen und/oder abgegeben kann, d.h. im 4-Quadranten-Betrieb arbeiten kann. Der Gleichspannungswandler 1360 des elektrischen Speichers 1370 ermöglicht zudem, dass der elektrische Speicher 1360 unabhängig vom Leistungsfluss zwischen dem Gleichrichter 1310 und dem Wechselrichter 1350 elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgegeben kann.
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Die Steuereinheit 1390 ist ferner wenigstens dazu eingerichtet, wenigstens den Wechselrichter 1350 so anzusteuern, dass der Windpark 1000 am elektronischen Versorgungsnetz 2000 statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
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Ferner ist die Steuereinheit bzw. die Leistungsflusseinheit 1300 auch wenigstens so ausgebildet, dass das Windpark 1000 spannungsprägend am elektrischen Versorgungsnetz 2000 betrieben werden kann.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform besteht somit im Wesentlichen aus zwei AC/DC-Wandlern 1310, 1350, die durch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler 1330 verbunden sind.
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Hierdurch wird eine galvanische Trennung zwischen den beiden Seiten der Leistungsflusseinheit 1300 und eine Trennung in zwei Zwischenkreisen 1320, 1340 ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft hierbei ist neben der galvanischen Trennung, dass durch die getrennten Zwischenkreise 1320, 1340 zwei unterschiedliche Spannungsniveaus verwendet werden können, was einen modularen Aufbau des Leistungsflusswandlers 1300 ermöglicht. Insbesondere können hierdurch standardisierte Leistungselektroniken verwendet werden.
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Insbesondere ermöglicht die galvanische Trennung durch den Gleichspannungswandler 1330, dass kein Transformator zwischen Windpark 1000 und elektrischem Versorgungsnetz 2000 benötigt wird.
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Bspw. weist der erste Gleichspannungszwischenkreis 1320 690 V auf und der zweite Gleichspannungszwischenkreis 1340 1000 V. Hierdurch kann ein Gleichrichter 1310 mit 690 V Ausgangsspannung verwendet werden, wohingegen der elektrische Speicher bspw. 1000 V Ausgangsspannung aufweist.
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3 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks 1000 in einer weiteren Ausführungsform.
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Der Windpark 1000 ist zum Einspeisen elektrischer Leistung am Netzverknüpfungspunkt PCC mit einem elektrischen Versorgungsnetz 2000 verbunden, wobei das Versorgungsnetz 2000 eine Versorgungsnetz-Spannung U_Netz, eine Versorgungsnetz-Nenn-Spannung U_Netz_Nenn, eine Versorgungsnetz-Frequenz f_Netz und eine Versorgungsnetz-Nenn-Frequenz f_Netz-Nenn aufweist.
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Der Windpark 1000 umfasst hierfür eine Vielzahl von Windenergieanlagen 1100, bspw. vier Windenergieanlagen 100, wie bevorzugt in 1 gezeigt, die jeweils eine Windenergieanlagenleistung P_WEA erzeugen.
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Die Vielzahl von Windenergieanlagen 1100 ist über ein gemeinsames elektrisches Windparknetz 1200 miteinander verbunden, wobei das Windparknetz 1200 eine Wind-park-Spannung U_Park, eine Windpark-Nenn-Spannung U_Park_Nenn, eine Windpark-Frequenz f_Park und eine Windpark-Nenn-Frequenz f_Park_Nenn aufweist.
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Zum Einspeisen der elektrischen Windparkleistung P_PARK, die sich aus den einzelnen Windenergieanlagenleistungen P_WEA zusammensetzt, in das elektrische Versorgungsnetz 2000, weist das Windpark 1200 eine Verbindungsleitung 1210 zum Netzverknüpfungspunkt PCC auf.
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Auf dieser Verbindungsleitung 1210 ist die erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit 1300 angeordnet. Bevorzugt wird somit die gesamte Windparkleistung P_Park über die Leistungsflusseinheit 1300 geführt.
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Die Leistungsflusseinheit 1300 umfasst in dieser Ausführungsform einen Transformator 1380. Dieser kann zur Leistungsflusseinheit 1300 dazugehörig sein und den üblichen Windparktransformator 1380 ersetzen oder der übliche Windparktransformator 1380 sein.
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Die Leistungsflusseinheit 1300 ist somit dazu eingerichtet, das elektrische Windpark-netz 1200 und das elektrische Versorgungsnetz 1200 so miteinander zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 1200 eingespeist werden kann.
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Hierfür weist die Leistungsflusseinheit 1300 einen Gleichrichter 1310, einen Gleichspannungszwischenkreis 1340, einen Wechselrichter 1350, einen Gleichspannungswandler 1360, einen elektrischen Speicher 1370 und eine Steuereinheit 1390 auf.
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Der Gleichrichter 1310 ist mit dem elektrischen Windparknetz 1200 und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 verbunden und dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA zu führen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichrichter 1310 aktiv gesteuert und wirkt auf das Windparknetz 1200 spannungsprägend.
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Der Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 ist mit dem Gleichrichter 1310, dem Wechselrichter 1350 und dem Gleichspannungswandler 1360 verbunden.
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Der Wechselrichter 1350 ist mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem Netzverknüpfungspunkt PCC verbunden. Der Wechselrichter 1350 ist somit dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 2000 einzuspeisen.
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Der Gleichspannungswandler 1360 ist mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem elektrischen Energiespeicher 1370 verbunden. Der elektrische Energiespeicher 1370 ist somit mit dem Gleichspannungszwischenkreis 1340 zwischen Gleichspannungswandler 1330 und Wechselrichter 1350 verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind der elektrischen Energiespeicher 1370 und der Gleichspannungswandler 1360 als eine Baugruppe ausgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass sie eine zugeordnete Steuergruppe aufweisen, die für die Interaktion zwischen Energiespeicher 1370 und Gleichspannungswandler 1360 zuständig ist.
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Die Gleichspannungswandler 1360 ermöglicht dabei insbesondere einen Leistungstransport in zwei Richtungen. Der Gleichspannungswandler 1360 des elektrischen Speichers 1370 ermöglicht also, dass der elektrischen Speicher 1360 unabhängig vom Leistungsfluss zwischen dem Gleichrichter 1310 und dem Wechselrichter 1350 elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgegeben kann.
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Die Steuereinheit 1390 ist ferner wenigstens dazu eingerichtet, wenigstens den Wechselrichter 1350 so anzusteuern, dass der Windpark 1000 am elektronischen Versorgungsnetz 2000 statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
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Ferner ist die Steuereinheit bzw. die Leistungsflusseinheit 1300 auch wenigstens so ausgebildet, dass der Windpark 1000 spannungsprägend am elektrischen Versorgungsnetz 2000 betrieben werden kann.
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Die vorliegende Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen, die nachfolgend, und nicht abschließend, gelistet sind:
- 1. Erfüllung spezieller Netzanforderungen zur Emulation einer Synchronmaschine, die sonst einen sehr hohen Aufwand für die Anpassung der Eigenschaften von aktuellen Anlagen benötigen würden (hardwaremäßig und softwaremäßig), bspw. nur mit der Einsetzung einer speziellen Einheit am Windparkanschlusspunkt. Eine virtuelle Impedanz kann durch die Regelung der virtuellen Synchronmaschine implementiert werden ohne Bedürfnisse von zusätzlichen Hardware Komponenten.
- 2. Da der parkseitige Wechselrichter als spannungsprägender Wechselrichter fungiert, wird die Stabilität des gesamten Parks erhört. Jede Anlage wird immer eine symmetrische Spannung an ihren (oder seinen?) Klemmen messen, auch wenn Fehler im elektrischen Versorgungsnetz auftreten oder die tatsächliche Netzspannung stark oberschwingungsbehaftet ist. Die parkseitige Regelung der Leistungsflusseinheit, also durch den aktiven Gleichrichter, stellt damit eine nahezu ideale Spannungsquelle für die in das Windparknetz einspeisenden Windenergieanlagen dar, sodass kaum Stabilitätsprobleme für die Einspeiseregelung der Windenergieanlagen auftreten. Sie sind damit weitgehend von den Stabilitätsproblemen des Übertragungsnetzes bzw. Versorgungsnetzes am Netzverknüpfungspunkt entkoppelt. Der netzseitige Wechselrichter der Leistungsflusseinheit wird als virtuelle Synchronmaschine geregelt und es ist bekannt, dass eine virtuelle Synchronmaschine auch in sehr schwachen Netzen stabil betrieben werden kann. Somit sind zuerst die Stabilitätsprobleme der Einspeisung von der Windenergieanlage an den Netzverknüpfungspunkt des Parks verlagert, wo sie zentral mit einer sehr stabilen Regelung gelöst werden können.
- 3. Der Gleichrichter und der Wechselrichter der Leistungsflusseinheit bieten die Funktionalität eines spannungsprägenden Wechselrichters jeweils für das Netz und für den Windpark an. Da zusätzlich in der Leistungsflusseinheit ein Energiespeicher enthalten ist, kann eine Schwarzstartfähigkeit für den gesamten Windpark erreicht werden. Der Schwarzstart erfolgt in zwei Schritten: Zuerst wird mit der gespeicherten Energie in der Leistungsflusseinheit und der Spannungsprägung des parkseitigen Wechselrichters, also des Gleichrichters, das Windparknetz unter Spannung gesetzt. Wenn die Windenergieanlagen einspeisebereit sind, kann auch auf Versorgungsnetz-Seite eine Spannung eingeprägt werden, womit zuerst naheliegende Betriebsmittel (Leitungen, Transformatoren) unter Spannung gesetzt werden und dann zunehmend Wirkleistung aus den Windenergieanlagen in das so unter Spannung gesetzte Netz eingespeist werden kann.
- 4. Da der Park mit einem Back-to-Back-Wandler zum Netz verbunden ist, müssen die einzelnen Anlagen keine (oder nur noch eine sehr geringe) Blindleistung einspeisen. Zusätzlich ergibt sich durch die reduzierte Scheinstromamplitude im Windpark eine Reduzierung der Verluste in den Kabeln des Windparks.
- 5. Jede Windenergieanlage kann mit weniger Leistungsschränken ausgestattet werden. Die Blindleistungsstellfähigkeit des Windparks wird komplett durch die Leistungsflusseinheit bereitgestellt.
- 6. Die Steuereinheit der Leistungsflusseinheit ersetzt eine Parkregeleinheit des Windparks. Durch die Spannungsprägung auf der Windparkseite inkl. der Möglichkeit, die Frequenz im Windparknetz abweichend von der Netzfrequenz zu regeln, kann die Frequenz auch zur Kommunikation zwischen Leistungsflusseinheit und den Windenergieanlagen genutzt werden (z.B. Wirkleistungsregelung über Frequenzänderung mit Leistungs-Frequenz-Statik). Dies führt auch zu einem reduzierten Kommunikationsumfang zwischen Leistungsflusseinheit und Windenergieanlagen gegenüber der aktuellen Kommunikation von Leistungssollwerten. Die Kommunikation von Blindleistungssollwerten entfällt zudem komplett.
- 7. Klassische Probleme von konventionellen Trafos werden vermieden, z.B. Inrush Currents und Sättigung (Spannungsqualität).
- 8. Zudem wird ermöglicht, dass der Windpark oder nur ein Teil des Windparks mit einem Multi-Terminal HVDC Übertragungsnetz direkt verbunden werden kann.
