DE102019000025A1

DE102019000025A1 - Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102019000025A1
Application number: DE102019000025.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Fortmann
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2020-07-09
Also published as: US20220069584A1; US11920568B2; EP3909107A1; CN113261170A; WO2020144169A1

Abstract

Windenergieanlage (1), umfassend einen mit einem Generator (4) verbundenen Umrichter (7), der zumindest einen Teil der vom elektrischen Generator (4) erzeugten Energie in ein elektrisches Netz (10) einspeist, Sensoren (31, 32) für Störungen im elektrischen Netz (10), sowie ein Reglermodul (20) zum Steuern des Umrichters (7) und/oder der Windenergieanlage (1). Das Reglermodul (20) umfasst ein Netzstörungsmodul (25), das im Falle von erkannten Störungen im elektrischen Netz (10) den Störungen entgegenwirkt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Reglermodul (20) ein Übersteuerungsmodul (26) umfasst, das im Falle einer erkannten Störung im Netz (10) dazu vorgesehen ist, das Netzstörmodul (25) zumindest teilweise zu deaktivieren. Die Erfindung verbessert so das Verhalten in Störungssituationen, indem sie am Verlauf der Störung erkennt, dass zumindest Teile der eigenen Netzstabilisierungsfunktionen der Störung nicht entgegenwirken und sie in dieser speziellen Situation die jeweils schädlichen Netzstabilisierungsfunktionen deaktiviert. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Generator, einem mit dem Generator verbundenen Umrichter, die im Falle von erkannten Störungen im elektrischen Netz dazu vorgesehen sind, den Störungen im Netz entgegenzuwirken.
Windenergieanlagen sind bei der Energieversorgung im elektrischen Netz eine wesentliche Energiequelle und werden zukünftig einen immer größeren Beitrag leisten. Prinzipbedingt bleibt dabei die aus Windenergieanlagen zur Verfügung stehende Leistung nur begrenzt planbar. Mit dem immer größer werdenden Anteil an Windenergie im elektrischen Verteilnetz sind die Anforderungen der Betreiber elektrischer Netze an die Windenergieanlagen gestiegen und werden kontinuierlich fortentwickelt.
Grundsätzlich orientieren sich die Anforderungen der Netzbetreiber bislang an den Eigenschaften konventioneller Kraftwerke und es werden entsprechende Eigenschaften von den Windenergieanlagen gefordert. Bei konventionellen Kraftwerken handelt es sich überwiegend um direkt mit dem Netz verbundene Synchrongeneratoren, deren Regelungsmöglichkeiten sich von den über Umrichter verbundenen Generatoren der Windenergieanlagen unterscheiden und deren Regelungsstrategien zur Stabilisierung der Übertragungs- und Verteilnetze systembedingt unterschiedlich sein müssen. Die Anforderungen der Netzbetreiber berücksichtigen diese Unterschiede aber bislang kaum.
Beispielsweise wird mittlerweile gefordert, dass Windenergieanlagen Spannungseinbrüche bis 0% Restspannung der Nominalspannung im Netz ohne Trennung vom Netz durchfahren können müssen und gleichzeitig Blindleistung oder Blindstrom in das Netz einspeisen müssen, um dem Einbruch der Netzspannung entgegenzuwirken. Darüber hinaus wird gefordert, dass Windenergieanlagen auch gegenüber Änderungen in der Netzfrequenz tolerant sein müssen, beispielsweise in einem Bereich von 46,5Hz bis 53,5Hz eines 50 Hz Netzes. Gleichzeitig muss bei Überschreiten einer Schwellfrequenz beispielsweise von 50,1 Hz die Wirkleistungsabgabe der Windenergieanlage reduziert werden.
Diese Anforderungen an Windenergieanlagen übersehen, dass durch die systembedingten Unterschiede in den Regelungsstrategien der direkt ans Netz gekoppelten konventionellen Kraftwerke gegenüber den durch Umrichter geregelten Windenergieanlagen bei ungünstigen Störungen im Netz die Reaktionen der Windenergieanlagen auf die Störung im Netz den Reaktionen der konventionellen Kraftwerke entgegen wirken können und so eine Stabilisierung des Netzes verhindern können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist bei einer Windenergieanlage, umfassend einen mit einem Generator verbundenen Umrichter, der zumindest einen Teil der vom elektrischen Generator erzeugten Energie in ein elektrisches Netz einspeist, Sensoren für Störungen im elektrischen Netz, ein Reglermodul zum Steuern des Umrichters und/oder der Windenergieanlage, wobei das Reglermodul ein Netzstörungsmodul umfasst, das im Falle von erkannten Störungen im elektrischen Netz dazu vorgesehen ist, den Störungen entgegenzuwirken, vorgesehen, dass das Reglermodul ein Übersteuerungsmodul umfasst, das dazu ausgebildet ist, im Falle einer erkannten Störung im Netz das Netzstörmodul zumindest teilweise zu deaktivieren.
Die Erfindung hat erkannt, dass bei schnellen Störungen im Netz konventionelle Kraftwerke aufgrund ihrer Trägheit nicht durch eine schnelle Änderung der Wirkleistungseinspeisung reagieren können. Dem konventionellen Kraftwerk bleibt für eine schnelle Regelung der Wirkleistungsbilanz nur die Änderung der Spannung, so dass unter Annahme von überwiegend ohmschen Verbrauchern der Verbrauch kurzzeitig geändert werden kann, bis die Wirkleistungsabgabe des konventionellen Kraftwerks neue Sollwerte erreicht hat. Windenergieanlagen sind dazu ausgelegt, die Spannung an ihrem Einspeisepunkt möglichst konstant zu halten und erreichen dies über eine spannungsgeregelte Blindleistungsabgabe. Diese Spannungsregelung der Windenergieanlagen ist dabei gegenüber der Wirkleistungsregelung des Kraftwerks schnell. Ändert der Netzbetreiber zur Regelung der Wirkleistungsbilanz im Netz die Spannung, kann in ungünstigen Situationen die Spannungsänderung durch die Windenergieanlagen zumindest teilweise wieder kompensiert werden, so dass die Regelungsstrategie des Kraftwerks nicht ausreichend wirksam wird und eine Stabilisierung des Netzes oder Kompensierung des Netzfehlers nicht erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage verbessert diese Situationen, indem sie am Verlauf der Störung erkennt, dass zumindest Teile der eigenen Netzstabilisierungsfunktionen der Störung nicht entgegenwirken und sie in dieser speziellen Situation die jeweils schädlichen und/oder in Bezug auf die Störung unwirksamen Netzstabilisierungsfunktionen deaktiviert (und andere, wirksame Netzstabilisierungsfunktionen aktiviert lässt).
Die Erfindung setzt an dem Punkt an, dass für eine Analyse, ob die jeweilige Netzstabilisierungsfunktion in der speziellen Störungssituation im Netz aktiviert bleiben soll, der zeitliche Verlauf der Spannungskenngrößen Spannungshöhe und -frequenz, sowie Blind- und Wirkstromeinspeisung der Windenergieanlage ausgewertet werden muss. Aus den jeweiligen Verläufen kann erkannt werden, ob und welche Netzstabilisierungsfunktion inaktiviert bleiben müssen bzw. aktiviert bleiben sollen.
Nachfolgend sei erläutert, dass unter Deaktivierung einer Netzstabilisierungsfunktion verstanden wird, dass die Netzstabilisierungsfunktion nicht aufgerufen, abgeschaltet oder eingefroren wird, obwohl die gemessene elektrische Regelgröße im Netz eine Reaktion der Netzstabilisierungsfunktion verlangen würde, so dass von der Windenergieanlage kein regelnder oder steuernder Einfluss auf die Regelgröße im Netz ausgeht. Eine Netzstabilisierungsfunktion kann dabei beispielsweise jede Funktion sein, die primär auf die Beeinflussung der Spannungshöhe oder Spannungsfrequenz am Messpunkt abzielt.
Nicht gemeint sind damit Funktionen, die primär der Sicherheit der Windenergieanlage dienen oder deren Komponenten vor Beschädigung schützen sollen, die insbesondere auch während einer Störung im Netz aktiviert bleiben müssen.
Mit Störung im Netz ist jede Veränderung der im elektrischen Netz gemessenen Größen gemeint, bei der der Wert der Größe ein vordefiniertes Grenzwertintervall verlässt oder der Änderungsgradient der Größe eine bestimmte Höhe überschreitet. Umfasst vom Begriff Störung soll auch der Eintritt einer vordefinierten Ereignisfolge oder das Überschreiten der Eintrittsfrequenz eines vordefinierten Ereignisses sein.
Sofern hier die Regelung einer Leistung beschrieben wird, versteht der Fachmann darunter ebenfalls naheliegende Alternativen, wie die Regelung nur des Stroms oder nur der Spannung, sowie bei Wirk- oder Blindleistung ebenfalls die einzelnen Aspekte der Leistung, also die jeweiligen Ströme oder Spannungen, verstanden werden sollen. Unter Blindleistung kann in diesem Zusammenhang auch der Blindstrom, der Grundschwingungsverschiebefaktor, Leistungsfaktor oder Phasenwinkel verstanden werden.
Bevorzugt umfasst das Netzstörungsmodul zumindest ein Frequenzstörungsmodul zur Regelung der Wirkleistungsabgabe in Abhängigkeit der Frequenz im Netz und ein Blindleistungsstörungsmodul zur Regelung der Blindleistung in Abhängigkeit der Spannung im Netz, wobei das Übersteuerungsmodul dazu ausgebildet ist, jedes Modul des Netzstörmoduls einzeln und unabhängig voneinander zu deaktivieren.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Reglermodul einen Signaleingang umfasst, der bei anliegendem Signal das Übersteuerungsmodul derart aktiviert, dass es das Netzstörungsmodul zumindest teilweise deaktiviert.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand einer vorteilhaften Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten wird ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:

1 eine Windenergieanlage und
2 den erfindungsgemäßen Umrichterregler.

Der Aufbau der Windenergieanlage wird anhand von 1 kurz erläutert. Der Windrotor 2 der Windenergieanlage 1 wird durch den Wind in Drehung versetzt. Der Windrotor 2 ist dabei mechanisch über ein Getriebe 3 mit dem Generator 4 verbunden und versetzt den Rotor 6 des Generators 4 in Drehung. Der Stator 5 des Generators ist über Leistungskabel im Turm 13, einen Transformator 8 und einen Trennschalter 9 an das elektrische Netz 10 angeschlossen. Der Rotor 6 des Generators 4 ist an einen Umrichter 7 angeschlossen, der wiederum ebenfalls über Leistungskabel im Turm 14, einen Transformator 8 und einen Trennschalter 9 an das elektrische Netz 10 angeschlossen ist. Der Umrichter 7 weist eine Umrichterregelung 20 auf, die den Umrichter 7 regelt. An den Leistungskabeln 13, 14 sind Messsensoren 31 angeordnet, um die elektrischen Größen des Netzes 10 zu messen und über Messleitungen an die Umrichterregelung 20 weiterzuleiten. Sofern eine Störung der elektrischen Größen des Netzes 10 festgestellt wird, kann in der Umrichterregelung ein Netzstörmodul 25 aktiviert werden, das seinerseits durch das Übersteuerungsmodul 26 deaktiviert werden kann.
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage. Am Generator 4 ist ein Umrichter 7 mit generatorseitigem Wechselrichter 71, Gleichspannungszwischenkreis 73 und netzseitigem Wechselrichter 72 angeschlossen. Der Gleichspannungszwischenkreis 73 umfasst in an sich bekannter Weise einen Kondensator 82 als Energiespeicher sowie einen Chopper 81 als Sicherheitseinrichtung. Am Ausgang des netzseitigen Wechselrichters 72 ist eine Drossel 12 angeordnet. Der Umrichter 7 wird durch eine Regelung 20 geregelt. An verschiedenen Stellen in der Windenergieanlage 1 und/oder dem elektrischen Netz 10 werden elektrische Größen durch Strom- und/oder Spannungssensoren 31, 32 gemessen, welche über eine direkte oder indirekte Kopplung zum Netz 10 verfügen, mittels deren Messwerten sich Abweichungen der elektrischen Größen des Netzes 10 vom Normalbereich feststellen lassen. Die Messwerte werden an den Eingang eines Störungsdetektors 23 des Umrichterreglers 20 übertragen und, sofern keine Störung im elektrischen Netz 10 vorliegt, wird vom Entscheidungsmodul 41 das Normalregelmodul 24 für normalen Betrieb aktiviert. Im Normalregelmodul 24 werden Blind- und Wirkleistung gemäß der vom Betreiber der Windenergieanlage, der Parkregelung oder den voreingestellten Regelvorgabeneingestellt. Bei aktiviertem Normalregelmodul 24 sind die wesentlichen Regelziele die Einspeisung möglichst hoher Wirkleistung bei gleichzeitiger Einhaltung vertraglich vereinbarter Blindleistungsmengen, bzw. bei einer spannungsorientierten Regelung die Einspeisung von so viel Blindleistung, dass die vorgegebenen Spannungsbereiche nicht verlassen werden.
Das Normalregelmodul 24 ermittelt anhand der von den Sensoren 31, 32 gemessenen Werte die Sollwerte für die Blind- und Wirkleistungen und gibt diese an den Leistungsregler 27 weiter, der über die einzelnen Umrichterregler 21, 22 die Sollwerte einregelt.
Wird eine Störung im Netz von einem Störungsdetektor 23 erkannt, aktiviert das mit dem Störungsdetektor 23 zusammenwirkende Entscheidungsmodul 41 das Netzstörungsmodul 25, das vom Normalregelmodul 24 abweichende Regelziele hat, die es durch veränderte Regler erreicht. Das Netzstörungsmodul 25 umfasst Module 25a, 25b zur spannungsabhängigen Blindleistungsregelung oder frequenzabhängigen Wirkleistungsregelung, wobei in diesen Modulen 25a, 25b Regelfunktionen hinterlegt sein können, die sich mit den Vorgaben der Betreiber des Netzes 10 für Störungen decken.
Liegt eine Störung im Netz vor, bei der das Netzstörungsmodul 25 vom Entscheidungsmodul 41 aktiviert werden soll, ermittelt das Übersteuerungsmodul 26 gleichzeitig, ob eine Störung vorliegt, bei der eine Aktivierung des Netzstörungsmoduls 25 das Netz nicht stabilisieren würde. Erkennt das Übersteuerungsmodul 26 eine derartige Störung, kann es zumindest Teile des Netzstörungsmoduls überbrücken (mittels Übersteuerschaltern 42a, 42b) und so einen Regeleingriff auf den Netzparameter durch die überbrückte Funktion verhindern.
Der Leistungsregler 27 erhält dadurch keine neuen Sollwerte und der Umrichter 7 ändert seine Abgabeströme nicht.
Als Alternative ist auch denkbar, dass das Übersteuerungsmodul 26 auf das Entscheidungsmodul 41 derart einwirkt, dass zumindest Teile des Regelkreises vom Normalregelmodul 24 gesteuert werden, so dass trotz der Störungen im Netz 10 die Regelung der elektrischen Größen funktionsfähig ist.
Das Übersteuerungsmodul 26 ist zusätzlich noch derart ausgestaltet, dass es zumindest indirekt Signale von der Steuerung des Windparks 29 oder über einen Signaleingang 28 vom Betreiber des Netzes 10 empfangen kann. Über diese Signale kann das Übersteuerungsmodul 26 aktiviert oder deaktiviert werden, so dass von außen immer eine optimale Netzstützung durch die Windenergieanlage 1 gewährleistet ist. Die Steuerung des Windparks 29 hat eigene, der Windenergieanlage im Netz 10 vorgelagerte Sensoren 32, die eine Störung im Netz 10 früher oder direkter detektieren oder die Wirkung der von der Windenergieanlage 1 abgegebenen Leistungen kontrollieren können, sodass die Steuerung des Windparks 29 gezielt das Netzstörungsmodul 25 aktivieren bzw. deaktivieren kann.
In den Figuren ist nur eine Windenergieanlage mit einem doppeltgespeisten Asynchrongenerator gezeigt, bei dem nur ein Teil der abgegebenen elektrischen Leistung vom Umrichter an das elektrische Netz übertragenen wird. Die Erfindung kann ebenfalls bei Konfigurationen angewendet werden, bei denen andere Generatortypen verwendet werden und die gesamte erzeugte elektrische Leistung über den Umrichter geleitet wird.

Claims

Windenergieanlage (1), umfassend einen mit einem Generator (4) verbundenen Umrichter (7), der zumindest einen Teil der vom elektrischen Generator (4) erzeugten Energie in ein elektrisches Netz (10) einspeist, Sensoren (31, 32) für Störungen im elektrischen Netz (10), ein Reglermodul (20) zum Steuern des Umrichters (7) und/oder der Windenergieanlage(1), wobei das Reglermodul (20) ein Netzstörungsmodul (25) umfasst, das dazu ausgebildet ist, im Falle von erkannten Störungen im elektrischen Netz (10) den Störungen entgegenzuwirken, dadurch gekennzeichnet, dass das Reglermodul (20) ein Übersteuerungsmodul (26) umfasst, das dazu ausgebildet ist, im Falle einer erkannten Störung im Netz (10) das Netzstörmodul (25) zumindest teilweise zu deaktivieren.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzstörungsmodul (25) zumindest ein Frequenzstörungsmodul (25a) zur Regelung der Wirkleistungsabgabe in Abhängigkeit von der Frequenz im Netz und ein Blindleistungsstörungsmodul (25b) zur Regelung der Blindleistung in Abhängigkeit von der Spannung im Netz (10) umfasst, und dass das Übersteuerungsmodul dazu ausgebildet ist, jedes Modul des Netzstörmoduls einzeln und unabhängig voneinander zu deaktivieren.
Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reglermodul (20) einen Signaleingang umfasst, der bei anliegendem Signal das Übersteuerungsmodul (26) derart aktiviert, dass es das Netzstörungsmodul (24) zumindest teilweise deaktiviert.
Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage, gekennzeichnet durch die Schritte, - Erkennen einer elektrischen Störung im Netz, - Klassifizieren der Störung, - Deaktivieren zumindest eines Teils der Regelung der Leistungsabgabe, so dass der Störung im Netz zumindest nicht mehr vollständig entgegengewirkt wird.
Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Schritte, dass eine Störung der Frequenz der Spannung im Netz erkannt wird und ein Blindleistungsregler deaktiviert wird, mittels dem die Blindleistungsabgabe in Abhängigkeit von der Spannung im Netz geregelt wird.
Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch die Schritte, dass eine Störung der Spannung im Netz erkannt wird und ein Frequenzregler deaktiviert wird, mittels dem die Wirkleistungsabgabe in Abhängigkeit von der Frequenz geregelt wird.
Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch die Schritte, dass die Deaktivierung durch ein Signal von außerhalb der Windenergieanlage vorgegeben wird.
Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch die Schritte, dass die Klassifizierung anhand des Verlaufs der Spannung und der Frequenz der Spannung vorgenommen wird.
Verfahren zum Steuern einer Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Klassifizierung mittels eines elektrischen Modells vorgenommen wird.