DE10335575A1 - Notbetriebseinrichtung zur Verstellung von Rotorblättern für eine Windkraftanlage - Google Patents

Notbetriebseinrichtung zur Verstellung von Rotorblättern für eine Windkraftanlage Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Notbetriebseinrichtung (1) für eine Windkraftanlage bzw. auch eine Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage Rotorblätter (54) aufweist, welche mittels zumindest eines elektrischen Motors (64) verstellbar sind, wobei der elektrische Motor (64) mittels eines Umrichters (3) speisbar ist, wobei der Umrichter einen Gleichrichter (11), einen Zwischenkreis und einen Wechselrichter (9) aufweist und wobei die Notbetriebseinrichtung (1) einen Energiespeicher (17) aufweist, welcher zur Energieversorgung des elektrischen Motors (64) einsetzbar ist. Zur Reduzierung der Kosten bzw. der Ausfallwahrscheinlichkeit der Notbetriebseinrichtung (1) bzw. der Windkraftanlage wird die Speisung des Energiespeichers (17) mittels des Gleichrichters (11) des Umrichters (3) durchgeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Notbetriebseinrichtung zur Verstellung von Rotorblättern für eine Windkraftanlage. Eine Windkraftanlage weist Rotorblätter auf, welche an einer Nabe einer Rotorwelle angeordnet sind und welche mit einem Generator verbunden sind. Die Stellung der Rotorblätter um ihre Längsachse ist durch einen Motor veränderbar.
  • Moderne Windkraftanlagen in einem Leistungsbereich von ca. 500 kW mit bevorzugt horizontal ausgeführter Rotorwelle besitzen verstellbare Rotorblätter. Dadurch lässt sich die Angriffsfläche der Windgeschwindigkeit anpassen und eine annähernd konstante Leistung der Windkraftanlage einstellen. Windkraftanlagen dieser Art können somit noch bei vergleichsweise hohen Windgeschwindigkeiten betrieben werden. Bei Erreichen einer Grenzwindgeschwindigkeit, für die eine Windkraftanlage konstruktiv ausgelegt ist, ist es notwendig, die Leistung zu begrenzen. Auf diese Weise können Schäden an den Windkraftanlagen durch mechanische Überbelastungen vermieden werden.
  • Als weiterer mechanischer Belastungsfall einer Windkraftanlage ist der mögliche Wegfall der elektrischen Last durch den Hauptgenerator. Ursachen für diese Notsituation können beispielsweise der Ausfall des Stromnetzes, des Umrichters oder auch des Hauptgenerators selbst sein. Dadurch kann es zu einem sehr schnellen Hochlaufen der Rotorwelle durch das nun fehlende Gegenmoment des Hauptgenerators kommen. Eine mechanische Überbelastung der Windkraftanlage durch unzulässig hohe Drehzahlen wäre die Folge. Zur Vermeidung eines solchen Belastungsfalles werden üblicherweise die Rotorblätter oder auch nur eines in eine sog. „Fahnenstellung" verdreht. Vorteilhafter Weise werden alle Rotorblätter aus dem Wind ge dreht. Dabei wird entweder die Vorderkante oder die Hinterkante des Rotorblattprofils in den Wind verdreht, so dass kein antreibender Auftrieb mehr an dem Rotorblattprofil entstehen kann.
  • Die Einrichtung zur Verstellung der Rotorblätter in die Fahnenstellung ist im technischen Sinne sicher auszuführen. Es ist folglich sicherzustellen, dass z.B. auch in der Notsituation eines Netzausfalls eine energetische Versorgung für die Verstellantriebe der Rotorblätter gewährleistet ist. Aus diesem Grund ist es bekannt, eine unabhängige Hilfsenergieeinrichtung in Form eines Akkumulators als Energiespeicher zu verwenden, der im Fehlerfall direkt mit den Stellmotoren der Stellantriebe verbunden wird. Bei Erreichen der Fahnenstellung werden z.B. die Stellantriebe über Endlagenschalter von dem Akkumulator getrennt.
  • In Notsituationen, wie z.B. im Ausfall der elektrischen Stromversorgung, ist also sicher zu stellen, dass die Position der Rotorblätter verstellbar ist. Dies ist beispielsweise auch dann notwendig, wenn zu starke Winde auf die Flügel einwirken. Der oder die Motoren zur Verstellung der Stellung der Rotorblätter der Windkraftanlage werden z.B. über einen Umrichter gespeist. Der Umrichter weist einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen Wechselrichter auf. Der Umrichter wird über ein elektrisches Stromversorgungsnetz gespeist. Für den Notbetrieb der Verstellung der Rotorblätter, der Windkraftanlage wird der Zwischenkreis des Umrichters durch einen Akkumulator wie z.B. einem Bleigelakkumulator gespeist. Hierdurch ist ein autarker netzunabhängiger Betrieb sichergestellt. Der Akkumulator ist durch ein Netzteil, welches einen Gleichrichter darstellt, ladbar. Dieses Ladenetzteil erhöht die Kosten für eine Windkraftanlage aber auch die Fehleranfälligkeit derselben, da jedes zusätzliche Teil der Windkraftanlage die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Windkraftanlage erhöht. Nachteilig ist, dass für seltene Fehlerfälle bzw. Notsituationen ein Ladegerät für die unabhängige Energieversorgung also für den Energiespeicher mit den entsprechenden Kosten für die Beschaffung und Wartung bereitgestellt werden muss.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Notbetriebseinrichtung zu schaffen durch welche die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Windkraftanlage reduziert wird bzw. auch die Kosten für der Windkraftanlage reduziert werden.
  • Dies gelingt durch eine Notbetriebseinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Unteransprüche 2 bis 6 sind Weiterbildungen der Notbetriebseinrichtung.
  • Die Aufgabe wird ferner bei einer Windkraftanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 7 gelöst. Der Unteranspruch 8 betrifft eine Weiterbildung der Windkraftanlage.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Notbetriebseinrichtung für eine Windkraftanlage weist die Notbetriebseinrichtung einen Energiespeicher auf, wobei der Energiespeicher mittels eines Stromrichters aufladbar ist. Die Windkraftanlage weist einen Stromrichter zum Speisen eines Gleichspannungszwischenkreises auf. Dieser Stromrichter zum Speisen des Gleichspannungszwischenkreises ist in der Funktion eines Gleichrichters ein Teil eines Umrichters. Der Umrichter ist zur Speisung eines elektrischen Motors vorgesehen, welcher zur Verstellung der Rotorblattposition der Windkraftanlage vorgesehen ist. Der elektrische Motor ist vorteilhafter Weise ein Wechselstrommotor, insbesondere ein Drehstrommotor. Dieser ist im Vergleich zu einem Geleichstrommotor leichter, was Gewichtsvorteile bringt. Des Weiteren ist er gegenüber dem Gleichstrommotor weniger wartungsintensiv. Ein Umrichter weist also einen Gleichrichter, einen Spannungszwischenkreis und einen Wechselrichter auf. Erfindungsgemäß ist der Gleichrichter des Umrichters sowohl zur Speisung des Zwischenkreises im Umrichterbetrieb als auch zum Laden des Energiespeichers der Notbetriebseinrichtung vorsehbar. Somit ist es vermeidbar ein teu res Netzteil für das Laden von Akkumulatoren oder auch eines Kondensators, durch welchen im Notbetrieb der Zwischenkreis stützbar ist, einsetzen zu müssen, was auch die Anzahl der Fehlerquellen reduziert. Durch die Einsparung eines als Ladeeinrichtung verwendeten Netzteils, welches bedingt durch die Umgebungsbedingungen anfällig ist, ergibt sich ein geringerer Inspektions- und Wartungsaufwand, sowie auch eine Gewichtsersparnis. Diese Gewichtsersparnis ist insbesondere bezüglich der Windlast von Vorteil.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Energiespeichers ist dieser als Akkumulator bzw. als ein Kondensator ausführbar. Als Kondensator sind vorteilhafterweise Ultracaps einsetzbar, wobei diese auch als Superkondensatoren bzw. als Ultrakondensatoren bezeichnet werden. Der Kondensator ist beispielsweise ein einzelner Kondensator oder eine Kondensatorbatterie bzw. eine Kondensatorbank. Der Vorteil eines Kondensators und insbesondere eines Ultrakondensators ist es, dass dieser im Vergleich zum Akkumulator in einem größeren Temperaturbereich betreibbar ist. Des Weiteren ist der Kondensator gegenüber dem Akkumulator langlebiger, wartungsärmer und er weist keinen vergleichbaren Memoryeffekt auf.
  • In einer vorteilhafter Ausgestaltungen ist der Energiespeicher über einen Ladewiderstand ladbar. Der Ladewiderstand dient zur Strombegrenzung, wenn der Energiespeicher über den Zwischenkreis des Umrichters geladen wird.
  • Der Umrichter ist auch mit einem selbstgeführten Stromrichter als Gleichrichter ausführbar. In vorteilhafter Weise ist bei einer derartigen Ausführungsform der Ladewiderstand verzichtbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ladewiderstand durch eine Parallelschaltung überbrückbar. Die Parallelschaltung weist beispielsweise eine Diode auf, wabei die Diode während des Ladevorgangs sperrt und während des Endladevorganges der elektrische Strom über die Diode fließt, so dass über den Ladewiderstand beim Endladevorgang kaum Spannung abfällt und Energie verloren geht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Energiespeicher vom Zwischenkreis trennbar. Die Trennung erfolgt beispielsweise mittels eines Schützes. Liegt Spannung am Umrichter an, kann über ein Schütz, welches als Schalter dient, die Ladung des Energiespeichers aktiviert werden. Damit ist sichergestellt, dass der Energiespeicher nicht dauernd einen Ladestrom zieht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Notbetriebseinrichtung zumindest eine Sicherung auf. Durch die Sicherung ist die Notbetriebseinrichtung vor zu hohen Strömen geschützt.
  • Im folgenden soll anhand eines Beispieles die Dimensionierung einer Notbetriebseinrichtung beispielhaft skizziert werden. Die verwendeten Größen werden dabei nur beispielhaft genannt und beschränken nicht andere mögliche Dimensionierungen der Notbetriebseinrichtung. Der Umrichter weist beispielsweise eine Leistung von 15kW auf. Sind beim Umrichter beispielsweise schon doppelte Anschlüsse für den Zwischenkreis vorhanden, so können beispielsweise 4gmm große Anschlüsse den Lade- bzw. den Betriebsstrom im Notbetrieb führen. Ist als Energiespeicher beispielsweise ein Kondensator vorgesehen, so berechnet sich der Energieinhalt des Kondensators bei Bemessungsspannung wie folgt:
    Figure 00050001
  • Mit C = 1F, U = 620 V folgt W = 192,2 kWs
  • Der Kondensator stützt den Zwischenkreis und kann folglich auch als Stützkondensator bezeichnet werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist auch durch eine Windkraftanlage lösbar, welche eine Notbetriebseinrichtung nach einer der vorgenannten Ausbildungen aufweist. Die Windkraftanlage weist Rotorblätter auf, wobei die Rotorblätter mindestens mittels einer elektrischen Maschine verstellbar sind und die elektrische Maschine mittels eines Umrichters gespeist wird, wobei der Umrichter einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen Wechselrichter aufweist und die Notbetriebseinrichtung am Zwischenkreis angeschlossen ist.
    •
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 eine Notbetriebseinrichtung für eine Windkraftanlage und
  • 2 schematisch den Aufbau eines Rotors einer Windkraftanlage.
  • Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine Notbetriebseinrichtung 1 für eine elektrische Maschine 5. Die elektrische Maschine 5 ist über einen Umrichter 3 betreibbar. Dieser Umrichter 3 weist einen Gleichrichter 11, einen Zwischenkreiskondensator 7 und einen Wechselrichter 9 auf. Der Gleichrichter 11 weist zur Gleichrichtung eines dreiphasigen Wechselstromes, der über Anschlussklemmen 35 in den Umrichtern 3 einspeisbar ist Dioden 21 in der gezeigten Anordnung auf. Der Zwischenkreiskondensator 7 ist mittels Anschlussklemmen 37 welche intern im Umrichter 3 ausgeführt sind in den Gleichspannungszwischenkreis geschaltet. Der Gleichspannungszwischenkreis weist Schalter 27 und 29 auf. Über diese Schalter 27 und 28 sind Widerstände 15 in der Funktion von Ladewiderständen für den Zwischenkreiskondensator 7 in den Zwischenkreis schaltbar. Sind die Schalter 27 und 29 geschlossen, so sind die Widerstände 15 kurz geschlossen. Der Zwischenkreiskondensator 7 ist entweder ein einzelner Kondensator bzw. eine Kondensatorbatterie bzw. eine Kondensatorbank, d.h. eine Zusammenschaltung von mehreren Kondensatoren. Die Notbetriebseinrichtung 1 weist zumindest Energiespeicher 17 auf. Der Energiespeicher 17 ist beispielsweise ein Akkumulator oder auch ein Kondensator bzw. eine Kondensatorbank. Bei den Kondensatoren sind vorteilhafterweise Ultrakondensator einsetzbar. Der Energiespeicher 17 ist über einen Widerstand 13 ladbar. Zur Entladung des Energiespeichers 17 ist eine Diode 22 vorgesehen, welche parallel zum Widerstand 13 geschalten ist. Über einen Schalter 25 ist der Energiespeicher 17 vom Zwischenkreis des Umrichters 3 trennbar. Die Notbetriebseinrichtung 1 weist weiterhin auf beiden Seiten des Spannungszwischenkreises eine Sicherung 19 auf. Die Sicherungen 19 schützen den Energiespeicher 17.
  • Der Schalter 25 ist vorteilhafterweise ein Schütz.
  • Der Energiespeicher 17, welcher z.B. Stützkondensatoren aufweist, wird intelligent mittels des Schützes 25 geladen. D.h. der Ladezustand wird überwacht und dementsprechend das Schütz 25 geschaltet. Der Widerstand 13 begrenzt dabei den Ladestrom. Fällt das Netz aus, speisen die Stützkondensatoren Energie über die Entkoppeldiode 22 in den Zwischenkreis. Dieser Energiespeicher kann von der Größe flexibel und genau an den Energiebedarf der jeweiligen Anwendung angepasst werden und ist nicht von starren Größen vorgefertigter Kondensatormodule abhängig.
  • Mittels des Energiespeichers 17 und abhängig vom Schaltzustand des Schalters 25 ist der Zwischenkreis des Umrichters 3 erweiterbar.
  • Die Erweiterung des Zwischenkreises durch ein Kondensatormodul wird über die Vorladeschaltung des Umrichters, bzw. Einspeiseeinheit geladen.
  • Der Umrichter 3 ist mittels Drosseln 23 an ein externes dreiphasiges Drehstromnetz, welches in der 1 nicht dargestellt ist angeschlossen. Die elektrische Maschine 5 ist bei einer Windenergieanlage beispielsweise zur Verstellung von Rotorblättern der Windkraftanlage einsetzbar.
  • An einem Beispiel soll die Dimensionierung des Ladewiderstandes berechnet werden.
  • Beim Laden der Kondensatoren wird im Widerstand Rv 13 Energie in Wärme umgesetzt. Diese Energie entspricht ca. der zu speichernden Energie. Der Ladewiderstand 13 legt den Maximalstrom beim Aufladen fest und schützt damit den Gleichrichter 11 und den Energiespeicher 17. Dabei gilt: Maximalstrom = Zwischenkreisspannung/Ladewiderstand. Mit dem Ladewiderstand 13 und der wirksamen Kapazität C der Kondensatoren wird die Ladezeit festgelegt.
  • Die Darstellung gemäß 2 zeigt einen Rotor 50 einer Windkraftanlage. Dabei ist in der 2 eine Nabe 52 mit zwei beispielhaft daran angebrachten verstellbaren Rotorblätter 54 ersichtlich. Die Rotorblätter 54 können dabei in den dargestellten Drehrichtungen 56 um eine Längsachse 58 verstellt werden. Die eingangs beschriebene Fahnenstellung 60 ist gestrichelt eingezeichnet. Weiterhin sind im Beispiel der 1 Lager 62 an der Nabe 52 zur verstellbaren Aufnahme der Rotorblätter RB zu sehen. Innerhalb der Nabe 52 sind die Rotorblätter 54 beispielhaft mit je einem elektrischen Motor 64 als Stellantrieb zur Verstellung der Rotorblätter 54 mechanisch angebunden. Alternativ können für ein Rotorblatt 54 auch mehrere Stellantriebe verwendet werden, was jedoch nicht dargestellt ist.
  • Die Nabe 52 ist mit einer Rotorwelle 66 verbunden, die im Beispiel der 1 als horizontale Hohlwelle ausgeführt ist. Diese wird dabei durch zwei Lagerböcke 68 drehbar fixiert, die in fester Verbindung mit einem Tragsystem 70 stehen. Das Tragsystem 70 stellt dabei eine starre mechanische Verbindung mit einem Gondelkorpus dar, der drehbar am Mast der Windkraftanlage befestigt ist, was in der 2 jedoch nicht dar gestellt ist. Weiterhin ist die Rotorwelle 66 mit einem Eingang eines Getriebes 72, mit einem Satz von Schleifringen 74 verbunden. An dem entsprechenden übersetzten Ausgang des Getriebes 72 ist über eine Generatorwelle 76 ein Generator 78 angeschlossen.
  • Die beiden Stellmotoren 64 sind über Motorleitungen 80 mit den Umrichtern 3 verschaltet. Diese sind weiterhin über elektrische Leitungen 82 über den Schleifring 74 mit einem elektrischen Netz 84 verbunden.
  • Im Normalbetrieb der Windkraftanlage werden die beiden Umrichter 2 elektrisch aus den elektrischen Netz 84, z.B. einem konventionellem 50Hz/400V-Drehstromnetz versorgt.
  • Im Fehlerfall erfolgt die Energieversorgung der elektrischen Motoren 64 über die Notbetriebseinrichtungen 1, welche mit dem in der 2 nicht dargestellten Zwischenkreis des Umrichters 3 verbunden sind.

Claims (8)

  1. Notbetriebseinrichtung (1) für eine Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage Rotorblätter (54) aufweist, welche mittels zumindest eines elektrischen Motors (64) verstellbar sind, wobei der elektrische Motor (64) mittels eines Umrichters (3) speisbar ist, wobei der Umrichter (3) einen Gleichrichter (11), einen Zwischenkreis und einen Wechselrichter aufweist und wobei die Notbetriebseinrichtung einen Energiespeicher aufweist, welcher zur Energieversorgung des elektrischen Motors (64) einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (17) mittels des Stromrichters aufladbar ist.
  2. Notbetriebseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (17) ein Akkumulator bzw. ein Kondensator bzw. insbesondere ein Ultrakondensator ist.
  3. Notbetriebseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (17) über einen Ladewiderstand (13) ladbar ist.
  4. Notbetriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladewiderstand (13) durch eine Parallelschaltung überbrückbar ist.
  5. Notbetriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (17) vom Zwischenkreis trennbar ist.
  6. Notbetriebseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Notbetriebseinrichtung (1) zumindest eine Sicherung (19) aufweist.
  7. Windkraftanlage welche eine Notbetriebseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
  8. Windkraftanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windkraftanlage Rotorblätter (54) aufweist, wobei die Rotorblätter (54) mittels einen elektrischen Motors (64) verstellbar sind und der elektrische Motor (64) mittels eines Umrichters (3) gespeist wird, wobei der Umrichter einen Zwischenkreis aufweist und die Notbetriebseinrichtung (1) am Zwischenkreis angeschlossen ist.
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