DE19635960C2 - Verfahren zum Zuschalten einer Windkraftanlage an das Netz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuschalten einer mit einer Bremse und einem Drehstromsteller verse­ henen Windkraftanlage an das Netz.

Windkraftanlagen, die nach dem Passiv-Stall-Konzept ar­ beiten, besitzen fest eingestellte Rotorblätter, die nicht um ihre Längsachse verdrehbar sind. Der größte Teil der vorhandenen Anlagen arbeitet nach diesem Prin­ zip. Die Zuschaltung derartiger Anlagen zum Netz ist problematisch.

Aus der GB 2 206 930 A ist eine Windenergieanlage be­ kannt, die mit einer auf die Rotorwelle wirkenden Bremse versehen ist. Die US 5 225 712 zeigt einen Leistungs- Wandler für eine Windenergieanlage, der mit Drehstrom­ stellern versehen ist.

Es ist üblich, die Windkraftanlagen zur Netzaufschaltung leer hoch laufen zu lassen. In dem Moment, wo der Gene­ rator etwa netz-synchrone Drehzahl hat, wird diese zur Vermeidung von Stromspitzen über einen Drehstromsteller dann ans Netz geschaltet. Dabei bewirkt ein Drehstrom­ steller einen Phasenanschnitt der Sinushalbwellen des Wechselstromes und damit eine Regelung der effektiven Netzspannung, wobei der sogenannte Zündwinkel dafür ver­ antwortlich ist, in welcher Stellung sich der Drehstrom­ steller befindet. Zwischen den Maximalstellungen "geöff­ neter" und "geschlossener" Schalter sind beliebige Zwi­ schenstellungen möglich. Für kleine Leistungen und ein­ phasigen Wechselstrom sind diese Geräte beispielsweise auch zur Helligkeitssteuerung von Lampen bekannt und im Bereich größerer Leistungen werden sie zum sanften An­ laufen von Elektromotoren benutzt.

Bei dem oben beschriebenen Aufschalten tritt jedoch das Problem auf, daß bei einer Zündwinkel-Rampe, die den Ma­ gnetisierungsstrom wirksam begrenzt, die Windkraftanlage auf eine Geschwindigkeit oberhalb der synchronen Dreh­ zahl "wegläuft". Dann verursacht die Netzaufschaltung trotz Drehstromsteller wie oben beträchtliche, höchst unerwünschte Leistungsspitzen durch Verminderung der Drehzahl. Grundsätzliche Schwierigkeit ist der notwendi­ ge Kompromiß zwischen dem notwendigerweise aufzubringen­ den Magnetisierungsstromstoß beim Einschalten des Gene­ rators und der sich anschließenden dann jedoch uner­ wünschten Leistungsspitze.

Falls man ausschließlich mit dem oben beschriebenen Drehstromsteller mit einer extrem kurzen Netzausschalt­ dauer arbeitet, wird zwar ein Leistungsüberschwinger in Grenzen gehalten, aber ein zu hoher Magnetisierungs­ stromstoß verursacht.

Umgekehrt wird der Generator bei einer zu lang gewählten Netzaufschaltdauer auf eine übersynchrone Drehzahl "weglaufen", und das anschließende Verzögern auf seine stationäre Drehzahl verursacht wiederum eine Wirklei­ stungsspitze, da die Rotorschwungmasse bereits eine be­ trächtliche kinetische Energie gespeichert hat.

Strom- und Leistungsspitzen jedoch beeinflussen den so­ genannten K-Faktor, mit der eine Überleistung der Wind­ kraftanlage bei der Einspeisung in ein Versorgernetz be­ wertet wird, so stark, daß dies zu Problemen mit dem Netzanschluß führen kann. Insbesondere muß bei Anlagen mit hohen K-Faktoren der Netzanschluß ggf. verstärkt werden, was die Anschlußkosten erhöht.

Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Zuschalten einer mit einer Bremse und ei­ nem Drehstromsteller versehenen Windkraftanlage zu schaffen, das das Entstehen von Leistungsspitzen vermei­ det.

Erfindungsgemäß wird dies nun durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst, Anspruch 2 gibt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an.

Durch die Kombination eines Drehstromstellers mit einer regelbaren zusätzlichen Bremse auf einer schnellaufenden Welle derart, daß mit der regelbaren Bremse für einige wenige Sekunden ein konstanter, geringer Drehzahlgra­ dient in der Nähe der synchronen Drehzahl der Windkraft­ anlage eingeregelt wird, ist es möglich, eine Netzauf­ schaltung mit minimalen Leistungsspitzen zu erreichen.

Ein solcher geringer Gradient entspricht dann wieder beispielsweise den Verhältnissen bei schwachem Wind ohne Bremse, in denen die Netzaufschaltung relativ unproble­ matisch verläuft.

Der Drehstromsteller wird dann in einem passenden Zeit­ punkt aktiviert und regelt mittels des Zündwinkels auf einen konstanten Strom. In dem Maße, wie der Drehstrom­ steller die Verbindung zum Generator herstellt und sich damit ein Drehmoment aufbaut, kann die regelbare Bremse um genau dieses Maß entlastet werden.

Dieses Zusammenwirken wird durch einen Betriebsführungs­ rechner gesteuert.

Da auch bei Anlagen, die zwei Drehzahlstufen besitzen, ein Herunterschalten ähnliche Probleme aufwirft, kann die Vorrichtung auch für solche Zwecke benutzt werden, insbesondere dann, wenn von der schnellen in die langsa­ me Drehzahlstufe geschaltet wird.

Gegenüber der bisher verwendeten, nur durch den Dreh­ stromsteller und seinen Zündwinkel geregelten Netzauf­ schaltung ergibt sich außer den sehr geringen Stromspit­ zen in der Größenordnung normaler Leistungsschwankungen auch noch der Vorteil, daß die Drehmomentstöße auf den Antriebsstrang minimiert werden, und somit das Getriebe geschont wird. Die erreichten Stromspitzen werden unter­ halb des Nennstromes liegen und damit nicht mehr rele­ vant sein.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Generatordrehzahl über die Zeit bei ver­ schiedenen Windverhältnissen,

Fig. 2 schematischen Darstellungen der Generator­ drehzahl des Bremsmomentes, des Generatormo­ ments und des Generatorstroms bei Verwendung der Erfindung, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verschal­ tung der Baugruppen.

Die in der Fig. 1 für starken Wind (a) dargestellte Kur­ ve läßt für die Netzaufschaltung bei starkem Wind zu we­ nig Zeit, wenn nur wie bisher ein Drehstromsteller ver­ wendet wird. Falls dennoch aufgeschaltet wird, ist mit hohen Leistungsspitzen zu rechnen.

Bei schwachem Wind (b) dagegen ist der Drehzahlverlauf wesentlich langsamer ansteigend, so daß eingeschaltet werden kann.

Nach der Erfindung kann nun auch bei starkem Wind ein Soll-Verlauf (c) erreicht werden, der für Bremse und Drehstromsteller auch genügend Zeit für optimale Rege­ lung und Abbau von Leistungsspitzen beläßt, so daß auch Stromspitzen vermieden werden können.

In der Fig. 2 ist in der obersten der vier Darstellungen die Generatordrehzahl wiederum in Umdrehungen über die Zeit dargestellt. Bei einer Soll-Drehzahl von beispiels­ weise 1.500 wird durch Einsatz einer Bremse erreicht, daß unterhalb dieser Einschaltdrehzahl nur noch eine langsame Vergrößerung der Drehzahl stattfindet. Dies wird dadurch erreicht, daß zunächst stark gebremst wird, indem durch die vertikalen Striche dargestellten Zeit­ fenster dann nach ca. der Hälfte das Bremsmoment ab­ nimmt.

Gleichzeitig wird durch Aufschalten des Drehmomentstel­ lers ein Generatormoment ansteigen, bis der Generator­ strom ein Maximum erreicht hat. Anschließend kann bei steigender Generatordrehzahl der Generatorstrom leicht abfallen und das Generatormoment ebenfalls auf einen Nennwert zurückgeführt werden.

Wie in der Fig. 3 erkennbar, wird dazu vorgeschlagen, eine Vorrichtung mit einer regelbaren Bremse zu verse­ hen, zur Regelung des Drehzahlgradienten der Anlage in die Nähe der Synchrondrehzahl. Ein Drehstromsteller 18 wird dann zur Regelung des Strom-Ist-Wertes zwischen dem Generator und dem Netz vorgesehen.

Sowohl Drehstromsteller 18, wie Bremsenregler 12 werden durch einen Betriebsführungsrechner 16 gesteuert, der aufgrund der am Generator über einen Meßwertaufnehmer 24 abgenommenen Drehzahl-Ist-Wertes und eines hinter dem Drehstromsteller über einen Aufnehmer 26 aufgenommenen Strom-Ist-Wert eine Regelung der Bremse in Abhängigkeit von der Momentanstellung des Drehstromstellers bewirken.

Dabei wird zunächst die Bremse vor Betrieb des Dreh­ stromstellers die Windkraftanlage soweit abbremsen, daß die Generatordrehzahl noch langsam zunimmt, wie dies beispielsweise bei schwachem Wind der Fall ist. Mit zu­ nehmenden Zündwinkel des Drehstromstellers wird dann die Bremse langsam gelöst.

Bei sich ändernden Windverhältnissen wird dafür gesorgt, daß die Bremse entsprechend dieser sich ändernden Wind­ verhältnisse wirkt.

Der Drehstromsteller 18 umfaßt hier Thyristoren 22, wie sie dem Schaltplan zwischen Aufnehmer 26 und Generator 14 zu entnehmen sind.

Claims (2)

1. Verfahren zum Zuschalten einer mit einer Bremse (10) und einem Drehstromsteller (18) versehenen Wind­ kraftanlage an das Netz, gekennzeichnet durch
mechanisches Bremsen des Rotors der Windenergieanlage bis in die Nähe der netzsynchronen Generatordrehzahl und
Lösen der Bremse (10) unter gleichzeitigem Erhöhen des Zündwinkels des Drehstromstellers (18).

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Ansteuern eines Bremsenreglers (12) und des Drehstrom­ stellers (18) auf der Grundlage des Drehzahl-Istwerts des Generators (14) und des Ist-Werts des in das Netz eingespeisten Stroms.