DE19620906A1 - Windenergiepark - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Windenergiepark.

Die Einspeisung der mit dem stochastischen Primärenergie­ träger Wind erzeugten Elektroenergie in ein regionales Versorgungsnetz ist nicht unproblematisch. Aus dem Aufsatz "Bedingungen für den Anschluß von Windenergieanlagen an ein regionales Elektroenergie-Versorgungsnetz", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "ELEKTRIE", Berlin 49 (1995) 5/6/7, Seiten 249 bis 253 ergeben sich die technischen Anforderungen für Wind­ energieparks. Die in diesem Aufsatz aufgestellten Anforde­ rungen an die Windenergieanlagen beziehen sich auf Leistungs- oder Spannungsänderungen, Leistungsschwankungen, Netzflicker und machen Angaben zu den Netzkurzschlußkriterien eines Wind­ energieparks.

Die Spannungsanhebung an der Windenergiepark-Einspeisestelle in das regionale Versorgungsnetz darf, entsprechend einer Normvorschrift, nicht mehr als 4% betragen. Aus dieser Forderung ergibt sich eine maximal mögliche Energieleistung in Abhängigkeit von der Entfernung zum einspeisenden Umspann­ werk des regionalen Versorgungsnetzes. Für das in diesem Aufsatz dargestellte Windenergieanlagenkonzept wird die Energie der einzelnen zu einem Windenergiepark gehörenden Windenergieanlagen über eine Drehstromleitung oder ein Dreh­ stromkabel bis zum Umspannwerk des regionalen Netzes über­ tragen. Dadurch kann es zu der bereits genannten Limitierung der Anschlußleistung des Windenergieparks kommen, obwohl die gesamte zur Verfügung stehende Windenergieleistung des Wind­ energieparks größer ist.

Die Windenergieanlagen-Leistungsschwankungen sind gemäß Richtlinien für das Mittelspannungsnetz auf maximal 2% und für das Niederspannungsnetz auf maximal 3% begrenzt. Eine derartige Forderung kann nur von Windenergieanlagen erfüllt werden, die eine Leistungsregelung haben, wobei diese Leistungsregelung jedoch sehr langsam ist, weil sie mit einer sogenannten "Pitch-Regelung" realisiert wird, die über die Rotorblattverstellung wirkt.

Ein weiterer Störfaktor sind die Oberschwingungen, die vor allem im Einspeisestrom der netzseitigen Wechselrichter vor­ kommen. Diese sind mit geeigneten filtern zu kompensieren. Bei langen Kabelleitungen kann es im Mittelspannungsnetz zu Resonanzen zwischen der Kabelkapazität und der Kurzschluß­ reaktanz der Anlage kommen. Bei Asynchrongeneratoren können keine Oberschwingungen auftreten.

Ein weiterer Störfaktor ist das Flicker-Problem. Durch Lei­ stungsschwankungen entstehen Schwankungen in der Versorgungs­ spannung. Diese Spannungsschwankungen verursachen unter anderem Helligkeitsschwankungen in Glühlampen und Leucht­ stofflampen, die auch "Flicker" genannt werden. Da das menschliche Auge sehr empfindlich auf diese "Flicker" rea­ giert, müssen der Höhe und Häufigkeit der Spannungsschwan­ kungen enge Grenzen gesetzt werden. Dieses Flicker-Problem kann nur dann reduziert werden, wenn zwischen dem Aggregat, bestehend aus Rotor und Generator, und einem Mittel­ spannungs-Netz ein Zwischenkreis kombiniert mit einer Leistungsregelung vorhanden ist. Wie bereits festgestellt, ist die Windenergie­ anlagen-Leistungsregelung langsam. Da auch ein Parallel­ betrieb der Windenergieanlagen bei einem Windenergiepark vor­ sieht, kann sehr schwer die Interferenz der Einzel-Flicker im Mittelspannungsnetz vorausgesagt bzw. unterdrückt werden.

Die Fig. 1 zeigt ein bekanntes Konzept eines Windenergieparks 2 mit N Windenergieanlagen 4. Jede Windenergieanlage 4 weist einen Rotor 6, ein Getriebe 8, einen Asynchrongenerator 10 und einen Anpaßtransformator 12 auf. Jede Windenergieanlage 4 ist mittels eines Leistungsschalters 14 mit einer Sammel­ schiene 16 elektrisch leitend verbunden, die mittels einer Drehstromleitung 18 mit einem Umspannwerk 20 eines regionalen Versorgungsnetzes 22, beispielsweise eines Mittelspannungs­ netzes, verknüpft ist. Auch diese Drehstromleitung 18 ist über Leistungsschalter 14 freischaltbar. Dieses Konzept ist zwar preisgünstig, jedoch technisch nicht sehr zuverlässig, da beispielsweise zusätzlich ein Getriebe 8 verwendet wird. Der Vorteil des Asynchrongenerators 10 ist, daß er keine Oberschwingungen produziert. Jedoch spielt bei dem Asynchron­ generator 10 die Spannungsänderung eine große Rolle. Dabei kann es passieren, daß Windenergieanlagen 4 mit eine geringeren als geplanten Leistungen ans Netz gehen dürfen oder daß die einzuspeisende Leistung begrenzt werden muß.

Die Fig. 2 zeigt ebenfalls ein bekanntes Konzept eines Wind­ energieparks 2 mit N Windenergieanlagen 4. Jede Windenergie­ anlage 4 weist einen Rotor 6, einen Synchrongenerator 24, einen Umrichter 26, einen Anpaßtransformator 12 und einen Filter 28 auf. Jede Windenergieanlage 4 ist wie beim Wind­ energieparkkonzept gemäß Fig. 1 mittels Leistungsschalter 14 mit einer Sammelschiene 16 verbunden, die über eine Dreh­ stromleitung 18 mit einem Umspannwerk 20 eines regionalen Versorgungsnetzes 22 verknüpft ist. Der Umrichter 26 weist eingangsseitig einen mehrpulsigen, beispielsweise 12-pulsi­ gen, Gleichrichter 30 und ausgangsseitig einen mehrpulsigen, beispielsweise 12-pulsigen, Puls-Wechselrichter 32 auf, wobei der Gleichrichter 30 und der Puls-Wechselrichter 32 mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises 34 verbunden ist.

Gegenüber der Windenergieanlage 4 gemäß der Fig. 1 ist bei dieser Windenergieanlage 4 der Rotor 6 direkt mit dem Synchrongenerator 24 verbunden und die Rotorblätter dieses Rotors 6 sind verstellbar. Diese Verstellbarkeit der Rotor­ blätter des Rotors 6 ist durch Pfeile gekennzeichnet. Der Synchrongenerator 24 weist zwei um 30° elektrisch zueinander versetzte Ständerwicklungen auf, die jeweils mit einem Teilgleichrichter des Gleichrichters 30 verknüpft sind.

Um die Oberschwingungsströme des Puls-Wechselrichters 32 zu kompensieren, sind entsprechende Filter 28 vorgesehen. Da bei diesen Windenergieanlagen 4 zwischen dem Aggregat, bestehend aus Rotor 6 und Synchrongenerator 24, und dem regionalen Versorgungsnetz 22 ein Gleichspannungs-Zwischenkreis 34 und eine langsame Leistungsregelung durch die verstellbaren Rotorblätter vorhanden ist, kann das Flicker-Problem reduziert werden. Jedoch kann die Interferenz der Einzel-Flicker im regionalen Versorgungsnetz nur sehr schwer vorausgesagt bzw. unterdrückt werden.

Diese bekannten Konzepte für Windenergieparks 2 sind alle dezentrale Drehstrom-Konzepte, weil die Energie der einzelnen Windenergieanlagen 4 in das regionale Versorgungsnetz 22 eingespeist wird. Da die Spannungsanhebung an der Wind­ energiepark-Einspeisestelle in das regionale Versorgungsnetz 22 nicht mehr als 4% betragen darf, ergibt sich eine maximal mögliche Windenergieleistung in Abhängigkeit von der Entfernung der Windenergiepark-Einspeisestelle vom Umspann­ werk 20. D.h., ein Großteil der mit den Windenergieanlagen 4 erzeugten Leistung kann nicht in ein regionales Versorgungs­ netz 22 eingespeist werden.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Wind­ energiepark mit mehreren Windenergieanlagen anzugeben, bei dem die bestehenden Nachteile der bekannten Konzepte für Windenergieparks nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Dadurch, daß die Windenergieanlagen eines Windenergieparks gleichstromseitig elektrisch parallel geschaltet sind, werden nicht mehr gemäß der Anzahl der Windenergieanlagen mehrere Wechselrichter benötigt, sondern nur noch eine netzseitige Stromrichterstation, die einen Wechselrichter aufweist. Dieser Wechselrichter der netzseitigen Stromrichterstation ist gleichstromseitig mit dem gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen elektrisch in Reihe geschaltet. Dadurch erhält man ein Gleichstromkonzept für einen Windenergiepark.

Dieses vorgeschlagene Gleichstrom-Konzept basiert auf der Erkenntnis, daß alle Anforderungen an Windenergieparks bezüglich Leistungs- oder Spannungsänderungen, Leistungs­ schwankungen, Netz-Flicker und Netz-Kurzschluß-Kriterien von der am Windenergiepark-Anschlußort vorhandene Netzkurzschluß­ leistung abhängen. Je höher die Netzkurzschlußleistung am Anschlußort ist, um so leichter werden die Anforderungen von Windenergiepark erfüllt.

Weil die Gleichstrom-Übertragung den Windenergiepark elek­ trisch bis zum Wechselrichter der netzseitigen Stromrichter­ station bringt, ist ein Gleichstrom-Konzept dem bekannten Drehstrom-Konzepten technisch überlegen, da die netzseitige Stromrichterstation näher oder direkt am Umspannwerk des regionalen Versorgungsnetzes, d. h. am Anschlußort mit der höheren oder höchsten Netzkurzschlußleistung, installiert werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Gleichstrom-Konzept des Wind­ energieparks wird die Energie über eine Gleichstrom-Leitung bis zum Wechselrichter der netzseitigen Stromrichterstation übertragen, dessen Standort wiederum so bestimmt werden kann, daß die gesamte zur Verfügung stehende Windenergieleistung in ein regionales Versorgungsnetz übertragen werden kann und sich gleichzeitig ein preisliches Optimum ergibt. Außerdem weist jede Windenergieanlage eine Leistungsregelung auf, die schnell ist, weil sie über den Steuerwinkel des Gleich­ richters wirkt. Durch die Verschaltung der Windenergieanlagen im Gleichstrom-Zwischenkreis wird die Interferenz der Einzel-Flicker im Gleichstromkreis und nicht im regionalen Versor­ gungsnetz stattfinden. Weil der Wechselrichter der netz­ seitigen Stromrichterstation eine zentrale Energieüber­ gabestelle zum regionalen Versorgungsnetz darstellt und eine Drehstromspannungsregelung besitzt, wird der Flicker prak­ tisch ausgeregelt. Außerdem kann das erfindungsgemäße Gleich­ strom-Konzept eines Windenergieparks bei einer niedrigeren Kurzschlußleistung am Einspeiseort als die vergleichbaren Drehstrom-Konzepte betrieben werden.

Außerdem wird durch das erfindungsgemäße Konzept für einen Windenergiepark die zentrale Drehstrom-Spannungsregelung des Windenergieparks mit den schnellen dezentralen Windenergie­ anlagen-Leistungsregelungen kombiniert, wodurch den Energie­ versorgungsunternehmen eine erhebliche Verbesserung der Qualität der Energieeinspeisung aus Windenergieparks geboten wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windenergieparks ist zwischen dem gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen und der netzseitigen Strom­ richterstation eine Gleichstrom-Übertragungseinrichtung geschaltet. Durch diese Gleichstrom-Übertragungseinrichtung kann die netzseitige Stromrichterstation direkt an einem Umspannwerk eines regionalen Versorgungsnetzes errichtet werden, so daß die gesamte zur Verfügung stehenden Wind­ energieleistung in das regionale Versorgungsnetz eingespeist werden kann. So erhöht sich der Wirkungsgrad eines Wind­ energieparks wesentlich.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Windenergieparks weist jede Windenergieanlage einen Rotor mit verstellbaren Rotorblättern und eine Dreh­ zahlregelung auf. Mittels dieser Drehzahlregelung wird erreicht, daß das Aggregat Rotor-Generator an der obersten erlaubten Leistungsgrenze (Maximalspannung) arbeitet, womit der Leistungs-Regelbereich jeder Windenergieanlage optimal ausgenutzt werden kann. Die Drehzahlregelung wirkt über die Rotorblattverstellung, wobei ein Drehzahl-Sollwert aus der Windgeschwindigkeit generiert wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Windenergieparks sind den Unteransprüchen 4 bis 15 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung bezug genommen, in der eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windenergieparks schematisch veranschau­ licht ist.

Fig. 1 zeigt ein erstes bekanntes Konzept eines Windenergie­ parks,

Fig. 2 zeigt ein zweites bekanntes Konzept eines Wind­ energieparks, in

Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Konzeptes eines Windenergieparks dargestellt, in

Fig. 4 wird die maximale Windenergieleistung in Abhängigkeit von der Windenergiepark-Entfernung zum Umspannwerk eines regionalen Versorgungsnetzes dargestellt, die

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Leistungsregelung und eine Drehzahlregelung einer Windenergieanlage, wobei die

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Regelanordnung der netz­ seitigen Stromrichterstation veranschaulicht, die

Fig. 7 zeigt in einem Diagramm den Leistungs-Regelbereich einer Windenergieanlage und die

Fig. 8 zeigt in einem Diagramm den Windenergiepark-Multiterminalbetrieb.

Die Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Konzeptes eines Windenergieparks 2. Dieser Windenergiepark 2 weist N Windenergieanlagen 4 auf. Jede Windenergieanlage 4 weist einen Rotor 6, dessen Rotorblätter verstellbar sind, einen Synchrongenerator 24, einen Gleich­ richter 30 und eine Glättungsdrossel 36 auf. Der Synchron­ generator 24 ist direkt mit dem Rotor 6 gekoppelt und weist zwei 30° elektrisch zueinander versetzte Statorwicklungen auf, die jeweils mit einem Teilgleichrichter des Gleichrichters 30 elektrisch leitend verbunden sind. Der Rotor 6 des Synchrongenerators 24 kann eine Permanenterregung oder eine spannungsgeregelte Erregung aufweisen. Der Gleichrichter 30 ist mehrpulsig, beispielsweise 12-pulsig, ausgeführt. Die Glättungsdrossel 36 ist beispielsweise in der positiven Aus­ gangsleitung 38 angeordnet. Diese positive Ausgangsleitung 38 und eine negative Ausgangsleitung 40 sind jeweils mittels Leistungsschalter 14 von einer positiven und negativen Strom­ schiene 42 und 44 trennbar. Mittels dieser beiden Strom­ schienen 42 und 44 sind die N Windenergieanlagen 4 des Wind­ energieparks 2 gleichstromseitig parallel geschaltet.

Eine netzseitige Stromrichterstation 46 ist bei dieser Dar­ stellung des Gleichstromkonzeptes des Windenergieparks 2 direkt bei dem Umspannwerk 20 eines regionalen Versorgungs­ netzes 22 angeordnet. Diese netzseitige Stromrichterstation 46 weist eine Glättungsdrossel 48, einen Wechselrichter 50, einen Anpaßtransformator 52 und einen Filter 28 auf. Der Wechselrichter 50 besteht ebenso wie der Gleichrichter 30 einer jeden Windenergieanlage 4 aus zwei Teilwechselrichtern. Die Pulsigkeit des Wechselrichters 50 entspricht ebenfalls der Pulsigkeit der Gleichrichter 30. Jeder Teilwechselrichter ist mit einer Sekundärwicklung des Anpaßtransformators 52 elektrisch leitend verbunden, wobei dessen Primärwicklung mit einer Sammelschiene 54 des Umspannwerkes 20 verbunden ist. An dieser Sammelschiene 54 ist außerdem das Filter 28 ange­ schlossen. Die Glättungsdrossel 48 ist beispielsweise in der positiven Eingangsleitung 56 des Wechselrichters 50 angeord­ net. Diese positive Eingangsleitung 56 und eine negative Eingangsleitung 58 sind mittels einer Gleichstrom-Übertra­ gungseinrichtung 60 mit der positiven und negativen Strom­ schiene 42 und 44 der elektrisch parallel geschalteten Windenergieanlagen 4 elektrisch leitend verbunden. Die Gleichstrom-Übertragungseinrichtung 60, die zwei Gleich­ stromleitungen oder ein Gleichstromkabel sein kann, kann mittels nicht näher dargestellter Leistungsschalter 14 freigeschaltet werden. Bei dieser Konzeptdarstellung wurde auf die Veranschaulichung von Einrichtungen 62 zur Leistungs­ regelung der Windenergieanlagen 4 und einer Regelanordnung 102 der netzseitigen Stromrichterstation 46 aus Übersicht­ lichkeitsgründen verzichtet. Die zugehörigen Blockschalt­ bilder dieser Einrichtung 62 zur Leistungsregelung und dieser Regelanordnung 102 sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.

In der Darstellung der Fig. 4 wird das bekannte Konzept gemäß Fig. 2 und das erfindungsgemäße Konzept gemäß Fig. 3 eines Windenergieparks 2 hinsichtlich der maximalen Windenergie­ leistung verglichen. Wie bereits eingangs erwähnt, hängt die im regionalen Versorgungsnetz 22 einzuspeisende Energie von der Entfernung zwischen den Windenergieanlagen 4 und der Ein­ speisestelle ab. Im oberen Teil dieser Darstellung ist das bekannte Drehstromkonzept veranschaulicht. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß die einzuspeisende Energie ungefähr 1,5 MW beträgt, wobei die Windenergieanlagen 4 des Wind­ energieparks 2 von der Einspeisestelle 8 km entfernt ist. Im unteren Teil dieser Darstellung ist das erfindungsgemäße Gleichstrom-Konzept veranschaulicht. Dabei sind zwei Varianten dieses Gleichstrom-Konzepts dargestellt. Bei der ersten Variante ist die netzseitige Stromrichterstation 46 des Windenergieparks 2 mittig zwischen den Windenergieanlagen 4 und der Einspeisestelle angeordnet. Dabei ist die netzsei­ tige Stromrichterstation 46 gleichstromseitig mittels einer Gleichstrom-Übertragungseinrichtung 60 mit den gleichstrom­ seitigen parallel geschalteten Windenergieanlagen 4 und wechselstromseitig mittels einer Drehstromleitung 18 mit der Einspeisestelle verbunden. Bei der zweiten Variante ist die netzseitige Stromrichterstation 46 des Windenergieparks 2 direkt an die Einspeisestelle angeordnet. Die einzuspeisende Energie beträgt bei der ersten Variante ungefähr 2,86 MW und bei der zweiten Variante 6 MW. D.h., mit der zweiten Variante des Gleichstrom-Konzeptes eines Windenergieparks 2 kann annähernd die vierfache Leistung in ein regionales Versor­ gungsnetz 22 eingespeist werden als mit dem bekannten Dreh­ strom-Konzept eines Windenergieparks 2 gemäß Fig. 2. Somit steigt auch der Wirkungsgrad annähernd um den Faktor 4.

Die Fig. 5 zeigt das Ersatzschaltbild mit einer Windenergie­ anlage 4 des Windenergieparks 2 nach Fig. 3 mit seiner zuge­ hörigen Einrichtung 62 zur Leistungsregelung und einer Dreh­ zahlregelanordnung 64. Diese Einrichtung 62 zur Leistungs­ regelung weist einen Sollwertgeber 66 mit einem vorgeschalte­ ten Leistungssollwertgeber 68 und einer nachgeschalteten Vektorregeleranordnung 70, dem eine Steuereinrichtung 72 nachgeschaltet ist, auf. Der Sollwertgeber 66 erhält als Eingangssignal einen Leistungs-Sollwert Po_r des vorge­ schalteten Leistungssollwertgebers 68 und einen Gleichspan­ nungs-Istwert Ud_r. Aus diesen Werten Po_r und Ud_r wird mittels des Sollwertgebers 66 ein Sollwertepaar Io_r und Uo_r für Strom und Spannung des Gleichrichters 30 der Windenergie­ anlage 4 ermittelt. Der Sollwertgeber 66 weist zwei Kenn­ liniengeber 74 und 76 auf. Die für den Spannungs-Sollwert Uo_r gewählte Kurve des ersten Kennliniengebers 74 zeigt die VDVOC-Charakteristik (Voltage-Dependent -Voltage-Order- Characteristic), wobei am oberen Ende für den Bereich des stationären Betriebes als charakteristisches Merkmal ein bogenförmiger Verlauf vorgesehen ist. Der untere Bereich der Kennlinie ist spannungsbegrenzend ausgebildet. Die Kennlinie des zweiten Kennliniengebers 76 für den Strom-Sollwert Io_r weist im wesentlichen eine VDCOL-Charakteristik (Voltage- Depended-Current-Order-Limitation), d. h. spannungsabhängige Strombegrenzung, auf. Die Vektorregleranordnung 70 weist zwei Vergleicher 78 und 80, einen Addierer 82 und ein Regelglied 84 auf. Das gebildete Sollwertepaar Uo_r, Io_r wird dieser Vektorregleranordnung 70 zugeführt und dort mit einem ermittelten Istwertepaar Ud_r, Id_r mittels der beiden Vergleicher 78 und 80 verglichen. Die gebildeten Regelabwei­ chungen für Strom und Spannung werden mittels des Addierers 82 aufsummiert. Dieses Summensignal wird dem Regelglied 84 zugeführt, an dessen Ausgang ein Steuersignal für die Steuereinrichtung 72 des Gleichrichters 30 der Windenergieanlage 4 ansteht.

Der Leistungssollwertgeber 68, der einen Leistungssollwert Po_r in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit V generiert, weist eingangsseitig einen Funktionsgeber 86 und einen Rampengeber 88 auf. Mittels des Funktionsgebers 86 wird aus der Windgeschwindigkeit V ein Leistungs-Sollwert Po_r generiert. Der Gradient der Leistungs-Sollwertänderung wird von einer Rampe des Rampengebers 88 bestimmt.

Die Drehzahlregleranordnung 64 weist eingangsseitig einen Funktionsgeber 90 mit nachgeschalteten Rampengebern 92 und eine Drehzahlregeleinrichtung 94 auf. Diese Drehzahlregel­ einrichtung 94 besteht aus einem Vergleicher 96 und einem Drehzahlregler 98 mit nachgeschalteter Rotorblattregelung 100. Der Vergleicher 96 vergleicht einen ermittelten Rotor­ drehzahl-Istwert n mit einem generierten Rotordrehzahl-Soll­ wert n_o. Dieser Drehzahl-Sollwert n_o wird windgeschwindig­ keitsabhängig vom Funktionsgeber 90 geliefert. Der Gradient der Drehzahl-Sollwertänderung wird von einer Rampe des Rampengebers 92 bestimmt. Am Ausgang des Drehzahlreglers 98 steht ein Soll-Signal für die Rotorblattregelung 100 an. Am Ausgang dieser Rotorblattregelung 100 steht ein Steuer-Signal für den Verstellmechanismus der Rotorblätter an, wodurch die Rotorblätter derart verstellt werden, daß die mittels des Vergleichers 96 ermittelte Rotordrehzahl-Regelabweichung zu Null wird.

Die Fig. 6 zeigt das Ersatzschaltbild der netzseitigen Strom­ richterstation 46 des Windenergieparks 2 gemäß Fig. 3 mit seiner zugehörigen Regelanordnung 102. Diese Regelanordnung 102 weist eine Einrichtung 104 zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes Po_i, eine Einrichtung 106 zur Ermitt­ lung eines Löschwinkel-Zusatz-Sollwertes γo_add, einen Soll­ wertgeber 108, eine Vektorregleranordnung 110 und eine Steuereinrichtung 72 auf. Diese Regelanordnung 102 ist analog zu dem der Einrichtung 62 zur Leistungsregelung einer Wind­ energieanlage 4 aufgebaut. Eine weitere Beschreibung dieser Regelanordnung 102 erübrigt sich daher. Unterschiede liegen in der Anzahl der dem Sollwertgeber 108 zugeführten Werte, den Kennlinien der beiden Kennliniengeber 112 und 114 und der Einrichtung 104 zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes Po_i. Aufgrund der Varianz der Eingangsgrößen (Spannungs-Ist­ wert Ud_i, Leistungs-Istwert Pd_i, Leistungs-Sollwert Po_i, Löschwinkel-Sollwert γo, Löschwinkel-Istwert γ, Steuerwinkel β) muß die Kennlinie, insbesondere die VDVOC-Charakteristik des Kennliniengebers 112 in seiner Höhe im Endbereich und in seiner Neigung vorgebbar sein. Auch die VDCOL-Charakteristik des Kennliniengebers 114 ist einstellbar. Wesentlichen für den zweiten Sollwertgeber 108 ist, daß auch ein Löschwinkel-Sollwert γo vorgegeben ist, der einzuhalten ist. Das erzeugte Sollwertepaar Uo_i, Io_i wird mittels zweier Vergleicher 78 und 80 mit einem ermittelten Istwertepaar Ud_i, Id_i ver­ glichen. Die gebildeten Regelabweichungen werden mittels des Addierers 82 voneinander subtrahiert, da der Spannungs-Soll­ wert Uo_i des Sollwertepaares Uo_i, Io_i am invertierenden Eingang des Vergleichers 78 ansteht. Das Differenzsignal wird dem nachgeschalteten Regelglied 84 zugeführt, an dessen Ausgang ein Winkelsignal für die Steuereinrichtung 72 der netzseitigen Stromrichterstation 46 ansteht. Mittels diesem Winkelsignal wird die Differenz der Regelabweichung für Strom und Spannung zu Null geregelt.

Die Einrichtung 104 zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes Po_i weist ein Verzögerungsglied 116 erster Ordnung mit einer oberen und einer unteren Grenze auf. Dieser Einrichtung 104 wird ein ermittelter Leistungs-Istwert Pd_i und ein oberer und unterer Leistungs-Grenzwert Pgo_i und Pgu_i zugeführt. Am Ausgang dieser Einrichtung 104 steht ein Leistungs-Sollwert Po_i an.

Diese Regelanordnung 102 weist eine Einrichtung 106 zur Ermittlung eines Löschwinkel-Zusatz-Sollwertes γo_add auf. Diese Einrichtung 106 weist eingangsseitig einen Vergleicher 118 und ausgangsseitig einen PI-Regler 120 auf. Mittels dieses Vergleichers 118 wird in Abhängigkeit eines Drehspan­ nungs-Sollwertes Uo_ac und eines ermittelten Dreh­ spannungs-Istwertes Uac eine Drehspannungs-Regelabweichung ermittelt, die dem nachgeschalteten PI-Regler 120 zugeführt wird. Am Ausgang dieses PI-Reglers 120 steht ein Löschwinkel-Zusatz- Sollwert γo_add an. Damit der Löschwinkel γo über den Soll­ wertgeber 108 nur innerhalb eines vorbestimmten Bereiches verändert werden kann, ist der PI-Regler 120 mit einem unteren Grenzwert Null und einem oberen Grenzwert maxγo_add versehen. Der Löschwinkel-Sollwert γo setzt sich aus einem minimalen Löschwinkel-Sollwert γo_min und dem ermittelten Löschwinkel-Zusatz-Sollwert γo_add, wobei ein Addierer 122 vorgesehen ist.

Diese in der Fig. 5 beschriebene Einrichtung 62 zur Leistungs­ regelung einer Windenergieanlage 4 eines Windenergieparks 2 und der Fig. 6 der beschriebenen Regelanordnung 102 der netz­ seitigen Stromrichterstation 46 eines Windenergieparks 2 sind aus der älteren deutschen Patentanmeldung mit dem Akten­ zeichen 195 44 777.8 und dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von n Stromrichterstationen eines HGÜ-Mehrpunkt­ netzes" bekannt. In dieser älteren deutschen Patentanmeldung sind die Einrichtung 62 zur Leistungsregelung und die Regel­ anordnung 102 und ihre Wirkungsweise ausführlich beschrieben, so daß an dieser Stelle darauf verzichtet werden kann.

In der Fig. 7 ist in einem Diagramm Gleichspannung Ud-Gleichstrom Id der Leistungs-Regelbereich einer Windenergie­ anlage 4 eines Windenergieparks 2 gemäß Fig. 3 dargestellt. Das Aggregat, bestehend aus Rotor 6 und Generator 24, einer Windenergieanlage 4 hat eine windgeschwindigkeitsabhängige "obere" und "untere" Leistungsbegrenzung. Die obere Leistungsbegrenzung ist von der Maximalspannung bestimmt, die das Aggregat an der Generatorklemme zur Verfügung stellen kann. Die untere Leistungsbegrenzung ist vom Maximalstrom bestimmt.

Die windgeschwindigkeitsabhängigen oberen und unteren Leistungsbegrenzungen werden "gleichgerichtet" als Gleich­ stromgrößen im Ud/Id-Diagramm dargestellt. Sie bestimmen den Leistungs-Regelbereich der Windenergieanlage 4. Die Charakteristik des Leistungsreglers im Ud/Id-Diagramm ist ein Hyperbel, die für hohe Spannungen von der oberen Leistungs­ begrenzung (Maximalspannung) und für niedrige Spannung von der unteren Leistungsbegrenzung (Maximalstrom) limitiert wird.

Die Leistungsregelung ist eine kombinierte Spannungs-/Strom- Regelung und wirkt über den Steuerwinkel des Gleichrichters. Die Kennliniengeber 74 und 76 des Sollwertgebers 66 der Einrichtung 62 zur Leistungsregelung sind so abgestimmt, daß das nachgeschaltete Regelglied 84 im normalen Arbeitsbereich der Leistungshyperbel und bei reduzierter Spannung der unteren Leistungsbegrenzung im Ud/Id-Diagramm folgt. Der Leistungs-Regelbereich der Windenergieanlage 4 kann optimal ausgenutzt werden, wenn das Aggregat - Rotor 6, Genera­ tor 24 - an der oberen erlaubten Leistungsbegrenzung (Maximalspannung) arbeitet. Die Maximalspannung wird mit der Drehzahlregelung 64 erreicht, die über die Rotorblattverstel­ lung wirkt.

Die Regelanordnung 102 gemäß Fig. 6 ist für die netzseitige Stromrichterstation 46 des Windenergieparks 2 gemäß Fig. 3 eine Widerstandsregelung mit überlagert er Drehstrom-Span­ nungsregelung, die über den Steuerwinkel des Wechselrichters 50 wirkt. Die überlagerte Drehstrom-Spannungsregelung ändert den Löschwinkel-Sollwert γo so, daß die unterlagerte Wider­ standsregelung den Arbeitspunkt auf der Leistungshyperbel ansteuert, für den auch die Drehstrom-Spannung geregelt wird. Die schnelle, über den Steuerwinkel wirkende Drehstrom-Span­ nungsregelung kann ergänzt werden mit einer langsamen Stufen­ schalterregelung, für den Anpaßtransformator 52, die eine grobe Drehstrom-Spannungsregelung vornimmt. Sie ist eine ideelle Leerlaufgleichspannungs-Regelung. Dabei wird der Sollwert der Stufenschalterregelung über einen Zusatzwert so verändert, daß die über Steuerwinkel wirkende Regelung mög­ lichst immer unbegrenzt und in der Mitte des Steuerbereiches αnax_i und αnin_i arbeiten kann.

Die Fig. 8 zeigt beispielhaft einen Windenergiepark-Multi­ terminalbetrieb. Der Widerstandsregler mit der überlagerten Drehstrom-Spannungsregelung bestimmt den Arbeitspunkt AW für den Wechselrichter 50 der netzseitigen Stromrichterstation 46, für den die zu übertragende Leistung P_wr und die Dreh­ strom-Spannung eingehalten werden. Die Arbeitspunkte AG1, AG2 und AG3 der Gleichrichter 30 der Windenergieanlagen 4 ergeben sich aus der Topologie des Gleichstrom-Systems (Kirch­ hoff′sche Gesetz, Maschengleichung und Energieerhaltungssatz) und dem Wirken der Windenergieanlagen-Leistungsregelung automatisch. Die Windenergieanlagen-Leistungsregler suchen die Arbeitspunkte AG1, AG2 und AG3 auf deren Leistungshyper­ beln, die die obengenannten Gesetze einhalten.

Dieses erfindungsgemäße Gleichstromkonzept für einen Wind­ energiepark 2 reduziert nicht nur die Anzahl der Komponenten (anstelle von N Wechselrichtern nur noch ein Wechselrichter), es kann zu weiteren Einsparungen führen, wenn die Drehstrom­ leitungen 18 zwischen Ausgang der netzseitigen Stromrichter­ station 46 und einem Netzeinspeisepunkt durch eine Gleich­ strom-Übertragungseinrichtung 60 ersetzt wird. Für eine derartige Leistungsübertragung wäre es ratsam, die Spannung der Generatoren 24 der Windenergieanlagen 4 von z.Zt. 690 V auf deren sonst aus der Energieerzeugung üblichen Spannungs­ werten von 6-10 kV zu erhöhen. Wenn die Erde als Rückleiter benutzt werden darf, wird nur eine Gleichstromleitung als Gleichstrom-Übertragungseinrichtung 60 benötigt, wodurch sich der Preisvorteil ausbaut.

Die zentrale Drehstrom-Spannungsregelung des Windenergieparks 2 kombiniert mit den schnellen dezentralen Windenergie­ anlagen-Leistungsregelungen bieten den Energieversorgungs­ unternehmen eine wesentliche Verbesserung der Qualität der Energieeinspeisung aus Windenergieparks 2.

Claims (15)

1. Windenergiepark (2) mit wenigstens zwei Windenergieanlagen (4) und einer netzseitigen Stromrichterstation (46), wobei jede Windenergieanlage (4) einen Rotor (6), einen Generator (24), einen Gleichrichter (30), eine Glättungsdrossel (36) und eine Einrichtung (62) zur Leistungsregelung aufweist, wobei die netzseitige Stromrichterstation (46) eine Glättungsdrossel (48), einen Wechselrichter (50), einen Anpaßtransformator (52), einen Filter (28) und eine Regelan­ ordnung (102) aufweist, wobei diese Windenergieanlagen (4) gleichstromseitig elektrisch parallel geschaltet sind und wobei die netzseitige Stromrichterstation (46) gleichstrom­ seitig mit den gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen (4) elektrisch in Reihe geschaltet ist.

2. Windenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei zwischen den gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen (4) und der netzseitigen Stromrichterstation (46) eine Gleichstromübertragungseinrichtung (60) geschaltet ist.

3. Windenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei jede Wind­ energieanlage (4) einen Rotor (6) mit verstellbaren Rotor­ blättern und eine Drehzahlregelanordnung (64) aufweist.

4. Windenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (62) zur Leistungsregelung einer Windenergieanlage (4) einen Sollwertgeber (66) mit einem vorgeschalteten Leistungs-Soll­ wertgeber (68) und einer nachgeschalteten Vektorregleranord­ nung (70), der eine Steuereinrichtung (72) nachgeschaltet ist, aufweist, wobei dem Sollwertgeber (66) zusätzlich ein Spannungs-Istwert (Ud_r), der Vektorregelung (70) zusätzlich ein ermitteltes Istwertepaar (Id_r, Ud_r) für Strom und Spannung und dem Leistungs-Sollwertgeber (68) ein Wind­ geschwindigkeits-Istwert (V) zugeführt sind und wobei am Ausgang der Steuereinrichtung (72) ein Steuersignal für den Gleichrichter (30) einer Windenergieanlage (4) zur Verfügung steht.

5. Windenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei die Regelanord­ nung (102) der netzseitigen Stromrichterstation (46) eine Einrichtung (104) zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes (Po_i), eine Einrichtung (106) zur Ermittlung eines Lösch­ winkel-Zusatz-Sollwertes (γo_add), einen Sollwertgeber (108), eine Vektorregleranordnung (110) und eine Steuereinrichtung (72) aufweist, wobei die der Einrichtung (104) zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes (Po_i) ein ermittelter Leistungs-Istwert (Pd_i) und ein oberer und unterer Leistungs-Grenzwert (Pgo_i, Pgu_i), dem Sollwertgeber (108) ein Leistungs-Soll- und -Istwert (Po_i, Pd_i), ein Löschwinkel-Soll- und -Istwert (γo, γ), ein Spannungs-Istwert (Ud_i) und ein Steuersignal (β), der Vektorregleranordnung (110) ein ermitteltes Istwertepaar (Id_i, Ud_i) für Strom und Spannung und der Einrichtung (106) zur Ermittlung eines Löschwinkel-Zusatz- Sollwertes (γo_add), ein Drehspannungs-Soll- und -Istwert (Uo_ac, Uac) zugeführt sind und wobei am Ausgang der Steuereinrichtung (72) ein Steuersignal für den Wechsel­ richter (50) der netzseitigen Stromrichterstation (46) zur Verfügung steht.

6. Windenergiepark (2) nach Anspruch 4, wobei der Leistungs- Sollwertgeber (68) der Einrichtung (62) zur Leistungsregelung einer Windenergieanlage (4) einen Funktionsgeber (86) mit nachgeschaltetem Rampengeber (88) aufweist.

7. Windenergiepark (2) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Sollwertgeber (66,108) zwei Kennliniengeber (74, 76; 112, 114) für das Sollwertepaar (Uo_r, Io_r; Uo_i, Io_i) für Strom und Spannung aufweist.

8. Windenergiepark (2) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Vektorregleranordnung (70,110) zwei Vergleicher (78, 80), ein Addierglied (82) und ein Regelglied (84) aufweist, wobei jeweils ein Ausgang eines Vergleichers (78, 80) mit dem Addierglied (82) verknüpft ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Regelgliedes (84) verbunden ist.

9. Windenergiepark (2) nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (104) zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes (Po_i) der Regelanordnung (102) des Wechselrichters (50) der netz­ seitigen Stromrichterstation (46) ein Verzögerungsglied (116) erster Ordnung mit einer oberen und unteren Grenze (Pgo_i, Pgu_i) aufweist.

10. Windenergiepark (2) nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (106) zur Ermittlung eines Löschwinkel-Zusatz- Sollwertes (γo_add) der Regelanordnung (102) des Wechsel­ richters (50) der netzseitigen Stromrichterstation (46) einen Vergleicher (118) mit nachgeschalteten PI-Regler (120) aufweist, wobei am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (118) ein Drehspannungs-Sollwert (Uo_ac), an seinem invertierenden Eingang ein Drehspannungs-Istwert (Uac) und am Ausgang des PI-Reglers (120) der Löschwinkel-Zusatz- Sollwert (γo_add) anstehen.

11. Windenergiepark (2) nach Anspruch 3, wobei die Drehzahl­ regelanordnung (64) eingangsseitig einen Funktionsgeber (90) mit nachgeschalteten Rampengeber (92) aufweist, dem eine Drehzahlregeleinrichtung (94) bestehend aus einem Vergleicher (96) und einem Drehzahlregler (98), mit nachgeschalteter Rotorblatt-Regelung (100) nachgeschaltet ist, wobei dem Vergleicher (96) der Drehzahlregeleinrichtung (94) ein Rotor­ drehzahl-Soll- und -Istwert (n_o, n) zugeführt ist.

12. Windenergiepark (2) nach Anspruch 2, wobei als Gleich­ strom-Übertragungseinrichtung (60) eine Gleichstromleitung vorgesehen ist.

13. Windenergiepark (2) nach Anspruch 3, wobei als Gleich­ strom-Übertragungseinrichtung (60) im Gleichstromkabel vor­ gesehen ist.

14. Windenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei als Generator (24) eine Synchronmaschine vorgesehen ist.

15. Windenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei die Synchron­ maschine zwei 30°el zueinander versetzte Ständerwicklungen aufweist.