DE112010001352T5 - Aufwartsumsetzer für eine Windanlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reservestromversorgungssystem 200 zum Betrieb einer Windkraftanlage im Falle eines Stromausfalls. Die Windkraftanlage weist einen oder mehrere Rotorflügel auf. Das Reservestromversorgungssystem enthält mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen 204, die in Reihe geschaltet sind. Das Reservestromversorgungssystem enthält ferner einen Wechselrichter, der Gleichstrom aus den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen in Wechselstrom umwandelt und den Wechselstrom einem Elektromotor zuführt, der mit dem einen oder den mehreren Rotorflügeln verbunden ist, um den Anstellwinkel der Rotorflügel um zu steuern. Darüber hinaus enthält das Reservestromversorgungssystem einen Gleichspannungs-Hochsetzsteller 201, der zwischen den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen und dem Wechselrichter in Reihe geschaltet ist. Der Gleichspannungs-Hochsetzsteller erhöht die Gleichspannung, die durch die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen geliefert wird, und legt die hochgesetzte Gleichspannung an den Wechselrichter an.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Windkraftanlagen zur Stromerzeugung und speziell, jedoch ohne Beschränkung darauf, ein System zur Steuerung von Windkraftanlagen im Falle eines Stromausfalls.
  • Es wird davon ausgegangen, dass Windkraft unter den verfügbaren erneuerbaren Energiequellen mit Blick auf den Nutzen neben Solarstrom die erstrangige Position erreicht hat. Daher nimmt der Gebrauch von Windkraftanlagen ständig zu. In Zusammenhang damit erfährt auch der Bedarf immer mehr Beachtung, die Eigenschaften zu verbessern, um die Windturbine insbesondere bei Stromausfällen wirkungsvoll zu steuern.
  • Gegenwärtig nutzen die meisten Windkraftanlagen einstellbare Rotorflügel, um den Wirkungsgrad zu maximieren. Während der Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit der Rotorflügel wird der Anstellwinkel der Rotorflügel in Relation zu der Richtung des Windes geändert, wobei ihre Ausrichtung so geändert wird, dass der Wind den Rotorflügel in der aerodynamisch günstigsten Weise in Eingriff nehmen kann. Dementsprechend ist die Änderung der Ausrichtung der Rotorflügel außerdem eine Methode, um die Rotationsgeschwindigkeit der Rotorflügel zu verringern, falls die Rotation zu rasch sein sollte. Der Anstellwinkel der Rotorflügel wird durch einen Elektromotor geändert, der mit den Rotorflügeln verbunden ist. Um die Windkraftanlage sogar während eines Stromausfalls sicher zu steuern, der auf einen Ausfall eines Stromnetzes oder auf einen Blitzschlag zurückzuführen ist, ist eine Reservespannungsquelle für den Antrieb des Elektromotors erforderlich.
  • Eine Lösung, die bisher mit Blick auf dieses Problem genutzt wurde, war die Nutzung hydraulischer Speicher, in denen eine inkompressible Hydraulikflüssigkeit mittels einer externen Quelle unter Druck gehalten wird. Die Hauptaufgabe dieser hydraulischen Speicher ist, hydraulische Energie zu speichern und die Energie dem System, d. h. in diesem Falle der Windkraftanlage, während der Stromausfälle wieder zur Verfügung zu stellen. Allerdings sind die hydraulischen Speicher sehr groß und sperrig und erhöhen daher die Wartungskosten beträchtlich und nehmen viel Raum ein. In Zusammenhang mit der ständig steigenden Größe der Windkraftanlagen sind die hydraulischen Speicher daher keine besonders geeignete Option.
  • Eine weitere gebräuchliche Lösung basiert auf einer Anordnung zum Akkumulieren von Energie in einem Satz elektrischer Energiespeichereinrichtungen, z. B. Akkumulatoren und Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind. Die Anordnung stellt sicher, dass der für den Antrieb des Elektromotors erforderliche Strom auch im Falle eines Stromausfalls von dem Satz elektrischer Energiespeichereinrichtungen bezogen werden kann, die mit einem Wechselrichter verbunden sind, der Gleichstrom aus dem Satz elektrischer Energiespeichereinrichtungen vor dem Erreichen des Elektromotors in Wechselstrom umwandelt. Allerdings sind die elektrischen Energiespeichereinrichtungen kostspielig, und es sind in Zusammenhang mit der Errichtung größere Windkraftanlagen eine größere Anzahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen erforderlich, um eine ausreichend hohe Spannung für den Antrieb des Elektromotors hervorzubringen. Darüber hinaus reagieren die elektrischen Energiespeichereinrichtungen empfindlich auf Temperaturschwankungen und sind auch von einem die Umwelt betreffenden Gesichtspunkt her nachteilig. All dies erhöht nochmals die Wartungskosten und den Platzbedarf, was besonders im Falle von Offshore-Windkraftanlagen unerwünscht ist. Dementsprechend besteht ein Bedarf nach einer verbesserten Reservespannungsquellenanordnung für die Windkraftanlagen.
  • Eine Aufgabe der Erfindung basiert darauf, die oben erwähnten Probleme und Nachteile zu eliminieren oder zumindest zu minimieren, was mittels der Vorrichtung gemäß den Ansprüchen erreicht wird.
  • In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist von Vorteil, dass eine kleinere Zahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen erforderlich ist, um die Spannung für den Antrieb eines Elektromotors hervorzubringen, der mit den Rotorflügeln einer Windkraftanlage verbunden ist.
  • Ein weiterer Vorteil in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung basiert darauf, dass geringere Ausgaben für den Einbau und die spätere Wartung der elektrischen Energiespeichereinrichtungen erforderlich sind.
  • Noch ein weiterer Vorteil in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass der Platzbedarf für die elektrischen Energiespeichereinrichtungen geringer ist.
  • Ein weiterer Vorteil in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung basiert darauf, dass aufgrund der kleineren Zahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen die damit verbundenen Umweltschäden geringer sind.
  • Diese und andere Ziele sind gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, wobei ein System geschaffen ist, das dazu dient, eine Windkraftanlage, die wenigstens einen Rotorflügel aufweist, im Falle eines Stromausfalls zu steuern. Zu dem System gehören: mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen, wobei die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen in Reihe geschaltet sind; einen Gleichspannungs-Hochsetzsteller, wobei der Gleichspannungs-Hochsetzsteller die Spannung erhöht, die durch die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen geliefert wird; und ein Elektromotor, der mit dem Rotorflügel verbunden ist, um den Anstellwinkel des Rotorflügels der Windkraftanlage zu steuern. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendig, ist der Elektromotor ein Wechselstrommotor, wobei in diesem Falle das System außerdem einen Wechselrichter enthält, der zwischen dem Gleichspannungs-Hochsetzsteller und dem Wechselstrommotor in Serie geschaltet ist, und wobei der von dem Wechselrichter stammende Wechselstrom dem Wechselstrommotor zugeführt wird.
  • Es ist selbstverständlich, dass ein erfindungsgemäßer Wechselstrommotor durch andere Komponenten als einen Wechselrichter betrieben werden kann, und dass ein solches System dennoch die gewünschte Wirkung einer hochgesetzten Spannung an den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen bereitstellen wird.
  • Vielfältige Aufgaben der vorliegenden Erfindung zusammen mit zusätzlichen Merkmalen, die diese unterstützen, und mit sich daraus ergebenden Vorteilen werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung offenkundig, das in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht ist, wobei ähnliche Bezugszeichen durchweg ähnliche Elemente bezeichnen:
  • 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Reservestromversorgungssystem für einen Elektromotor, der mit den Rotorflügeln einer Windkraftanlage verbunden ist, gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 zeigt in einem Blockschaltbild ein Reservestromversorgungssystem für einen Elektromotor, der mit den Rotorflügeln der Windkraftanlage verbunden ist, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Vielfältige Ausführungsbeispiele sind mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei für den Bezug auf gleichartige Elemente durchweg ähnliche Bezugszeichen verwendet werden. In der folgenden Beschreibung sind für Zwecke der Erläuterung zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein gründliches Verständnis eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele zu ermöglichen. Es ist jedoch offensichtlich, dass derartige Ausführungsbeispiele auch ohne diese speziellen Einzelheiten durchgeführt sein können.
  • 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein Reservestromversorgungssystem 100 für einen Elektromotor 102, der mit den Rotorflügeln der Windkraftanlage verbunden ist, gemäß dem Stand der Technik. Das Reservestromversorgungssystem 100 enthält mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen 104a, 104b, 104c, 104d und einen Wechselrichter 103, wobei der Wechselrichter 103 im Falle eines Stromausfalls, der auf einen Ausfall eines Stromnetzes oder auf einen Blitzschlag zurückzuführen ist, eine Gleichspannung, die durch die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 104a, 104b, 104c, 104d bereitgestellt ist, in Wechselspannung umwandelt, bevor sie dem Elektromotor 102 zugeführt wird. Die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 104a, 104b, 104c, 104d können mit Strom aus einem Stromnetz oder unter Nutzung eines Teils des durch die Windkraftanlage erzeugten Stroms geladen werden.
  • 2 zeigt in einem Blockschaltbild ein Reservestromversorgungssystem 200 für den Elektromotor 102, der mit den Rotorflügeln der Windkraftanlage verbunden ist, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zu dem Reservestromversorgungssystem 200 gehören: mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b; ein Gleichspannungs-Hochsetzsteller 201, wobei der Gleichspannungs-Hochsetzsteller 201 die Spannung hoch setzt, die durch die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b geliefert wird; und einen Wechselrichter 103, wobei der Wechselrichter 103 im Falle eines Stromausfalls, der auf einen Ausfall eines Stromnetzes oder auf einen Blitzschlag zurückzuführen ist, die hochgesetzte Gleichspannung, die durch die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b bereitgestellt ist, in Wechselspannung umwandelt, bevor sie dem Elektromotor 102 zugeführt wird. In einem Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b Kondensatoren. In noch einem Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b Akkumulatoren.
  • Im normalen Betrieb der Windkraftanlage bezieht der Elektromotor 102 den Strom zum Betrieb unmittelbar aus einem Stromnetz, um den Anstellwinkel der Rotorflügel zu steuern. Gleichzeitig werden die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b in dem Reservestromversorgungssystem 200 mit Strom aus einem Stromnetz oder unter Nutzung eines Teils des durch die Windkraftanlage erzeugten Stroms geladen. Bei Auftreten eines Stromausfalls erhält der Elektromotor 102 keinen Strom mehr aus dem Stromnetz, jedoch muss der Elektromotor 102 im selben Augenblick betrieben werden, um den Anstellwinkel der Rotorflügel zu steuern, um die Drehzahl des Rotors zu verringern und die Windkraftanlage anzuhalten. Dies ist mit Blick auf die Sicherheit und Wartung der Windkraftanlage bis zu dem Zeitpunkt erforderlich, in dem die Zufuhr von Strom aus dem Stromnetz wieder aufgenommen ist, oder bis die Turbine in einem sicheren Modus angehalten ist. In diesem Fall liefern die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b dem Elektromotor 102 Strom, um den Rotorflügel zu betätigen. Da der Elektromotor 102 vorzugsweise ein Wechselstrommotor ist, wird die durch die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b bereitgestellte Gleichspannung allerdings zunächst unter Verwendung des Gleichspannungs-Hochsetzstellers 201 erhöht und anschließend durch den Wechselrichter 103 geleitet, um die hochgesetzte Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln.
  • Die Vorteile der Verwendung des Gleichspannungs-Hochsetzstellers 201 lassen sich anhand von 2 im Einzelnen erläutern. Wie aus dem Graphen der gegenüber der Zeit abgetragenen Ausgangsspannung der mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b ersichtlich, nimmt die Ausgangsspannung, während die in den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b gespeicherte elektrische Ladung verbraucht wird, an dem Punkt A mit der Zeit ab. Ohne Vorhandensein des Gleichspannungs-Hochsetzstellers 201 würde wiederum die Ausgangsspannung, die dem Elektromotor 102 durch den Wechselrichter 103 geliefert wird, im Laufe der Zeit, wie aus dem Graphen an Punkt C ersichtlich, allmählich abnehmen, und die Windkraftanlage würde aufgrund einer unzureichenden Zufuhr von Strom für den Betrieb des Elektromotors 102 möglicherweise nicht in geeigneter Weise angehalten. Ein Weg zur Lösung dieses Problems könnte daher der Einsatz einer großen Anzahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen sein, um den Elektromotor 102 ausreichend lange mit Strom zu versorgen, um die Windkraftanlage zum Stillstand zu bringen. Noch eine Möglichkeit könnte darauf basieren, den Gleichspannungs-Hochsetzsteller 201 zu nutzen, der in der Lage ist, wie aus dem Graphen der über die Zeit abgetragenen Ausgangsspannung des Gleichspannungs-Hochsetzstellers 201 an Punkt B ersichtlich, die von den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen 204a, 204b stammende Ausgangsspannung zu erhöhen, um über die Zeit hinweg eine konstante hoch gesetzte Spannung zu liefern, wie durch eine gerade Linie in dem Graphen dargestellt. Zu beachten ist, dass aufgrund der Tatsache der Nutzung des Gleichspannungs-Hochsetzstellers 201 die Zahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen in dem Reservestromversorgungssystem 200, die erforderlich sind, um ausreichend Strom für den Betrieb des Elektromotors 102 zu liefern, im Vergleich zu der Zahl der in dem Reservestromversorgungssystem 100 erforderlichen elektrischen Energiespeichereinrichtungen kleiner ist.
  • Dementsprechend bietet das hierin beschriebene erfindungsgemäße Reservestromversorgungssystem 200 gegenüber dem Stand der Technik vielfältige Vorteile. Ein sich bietender Vorteil basiert darauf, dass aufgrund des Vorhandenseins des Gleichspannungs-Hochsetzstellers 201 eine kleinere Zahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen benötigt wird, um die erforderliche Spannung für den Antrieb des Elektromotors 102 hervorzubringen. Da eine kleinere Zahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen erforderlich ist, sind auch die für den Einbau und die spätere Wartung der elektrischen Energiespeichereinrichtungen erforderlichen Ausgaben geringer. Weiter ermöglicht die kleinere Zahl elektrischer Energiespeichereinrichtungen es, den Platzbedarf zu reduzieren, was zusätzliche Einsparungen sowie eine Minimierung der zugeordneten Umweltschäden erlaubt.

Claims (6)

  1. Reservestromversorgungssystem (200) zum Steuern/Regeln einer Windkraftanlage im Falle eines Stromausfalls, wobei die Windkraftanlage wenigstens einen Rotorflügel und mehrere elektrische Energiespeichereinrichtungen (204) aufweist, wobei die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen (204) in Reihe geschaltet sind; wobei zu dem System gehört: ein Elektromotor (102), der mit dem Rotorflügel verbunden ist, wobei dem Motor (102) Strom aus den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen (204) zugeführt wird, um einen Anstellwinkel des Rotorflügels der Windkraftanlage zu beeinflussen; dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Gleichstrom- oder ein Wechselstrommotor sein kann, und dass zu dem System weiter gehört: ein Gleichspannungs-Hochsetzsteller (201), der in Serie zwischen den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen und dem Elektromotor angeordnet ist, wobei der Gleichspannungs-Hochsetzsteller (201) die Spannung erhöht, die durch die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen (204) geliefert wird.
  2. Reservestromversorgungssystem (200) nach Anspruch 1, wobei der Elektromotor (102) ein Wechselstrommotor ist, und wobei das System (200) einen Wechselrichter (103) enthält, der von den elektrischen Energiespeichereinrichtungen (204) stammenden Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, und wobei von dem Wechselrichter (103) stammender Wechselstrom dem Wechselstrommotor zugeführt wird.
  3. Reservestromversorgungssystem (200) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Gleichspannungs-Hochsetzsteller (201) zwischen den mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen (204) und dem Wechselrichter (103) in Serie angeordnet ist.
  4. Reservestromversorgungssystem (200) gemäß einem beliebigen der vorausgehenden Ansprüche, wobei die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen (204) unter Verwendung von Strom aus einem Stromnetz geladen werden.
  5. Reservestromversorgungssystem (200) gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren elektrischen Energiespeichereinrichtungen (204) mittels Strom geladen werden, der durch die Windkraftanlage erzeugt ist.
  6. Reservestromversorgungssystem (200) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gleichspannungs-Hochsetzsteller (201) dazu eingerichtet ist, einen ausreichenden Strom zu liefern, um den Wechselstrommotor (102) anzutreiben.
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