DE2623233B1 - Anordnung zur Anpassung eines Windrades an einem elektrischen Generator - Google Patents

Description

• Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Wellenleistung der Windkraftmaschine einem einen Elektromotor antreibenden ersten Generator zugeführt und der Motor mit einem zweiten, ein Verbrauchernetz speisenden Generator gekuppelt ist und mit Hilfe eines von einem Windmessser beaufschlagten Erregerleistung des Motors bei ausreichendem Windangebot derart steuert, daß die Drehzahl des Generators praktisch konstant ist und ein Drehzahlregler die überschüssige Energie mittels eines regelbaren Gleichrichters einem Nebenschlußkreis des Motors zuführt, wenn das Windangebot die am Ausgang entnommene Leistung übersteigt.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist auf der Welle des Generators am Ausgang der Anordnung eine Kraftmaschine angeordnet, und mittels der Regeleinrichtung derart auf konstante Drehzahl regelbar, daß die Kraftmaschine den Fehlbetrag der Leistung übernimmt, wenn das Windangebot die am Generatorausgang entnommene Leistung unterscheidet.
• Mit Hilfe der Erfindung wird die Möglichkeit eröffnet, Windkraftwerke mit maximalem Leistungsbeiwert und konstanter Ausgangsdrehzahl zu fahren, wobei das Windrad mit anderen Kraftmaschinen derart stufenlos zusammenwirken kann, daß der Windenergie der Vorrang gegeben wird. Der hierfür erforderliche Aufwand für Regel- und Steuereinrichtungen erscheint für Windkraftwerke größerer bis größter Leistungsklassen gerechtfertigt.
• Die Erfindung ist anhand der folgenden Anmeldungsbeschreibung näher erläutert Es zeigt A b b. 1 eine Beispielsausführungeines Drehzahlwandlers, A b b. 2 eine Windradkennlinie, A b b. 3 ein Windkraftwerk, kombiniert mit einer Brennkraftmaschine.
• In A b b. 1 ist eine Beispielsausführung einer erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, hauptsächlich bestehend aus dem Windrad oder der Windturbine 1, dem Getriebe 2, dem Generator 3, dem Motor 9, dem Ausgangsgenerator 7, dem Schwungrad 21, sowie den Stellgliedern 11 und 13. Der Generator 3 bildet mit dem Motor 9 einen Maschinensatz bekannter Art zur Drehzahlwandlung (Ward-Leonard-Satz). Abweichend vom üblichen Betrieb dieses Wandlers wird der magnetische Fluß #G der Feldwicklung des Generators 3 konstant gehalten, wohingegen der magnetische Fluß 0 r der Feldwicklung des Motors 9 gesteuert wird. Der gewöhnlich verwendete Gleichstromgenerator ist hier durch einen Wechselstromgenerator 3 ersetzt. Für praktische Anwendungen ist ein Drehstromgenerator zweckmäßiger. Der Gleichrichter 6 ist auch bei Verwendung eines Gleichstromgenerators erforderlich, um Wirkungsumkehrungen bei instationären Betriebszuständen auszuschließen. Bei gegebenem Leistungsbeiwert CL ist das Generatormoment Mi proportional dem Quadrat der Windgeschwindigkeit v. Unter der Voraussetzung eines konstanten Erregerstromes durch die Feldwicklung 5 des Generators 3 mit diG=konst., ist damit der Generatorstrom IG eine Funktion von v. Dies wird durch folgende Beziehung ausgedrückt: A1, = kW . #² = kM . IG (a) Für eine gegebene (optimale) Schnellaufzahl gilt außerdem: n1 = kn- #. (b) Hierin bedeutet kw einen Proportionalitätskoeffizienten des Windrades mit Getriebe bezüglich der Windgeschwindigkeit v, kM einen Proportionalitätskoeffizienten des Generators 3 bezüglich des Moments MT und kn einen Proportionalitätskoeffizienten des Windrades mit Getriebe bezüglich der Generatordrehzahl fli, wobei der Leistungsbeiwert CL des Windrades in den Koeffizienten kw und kn enthalten ist Durch die Windradkennlinie (vergl. A b b. 2) liegt für das gewählte CL max, außer dem Generatorstrom IG entsprechend Gl. (a) auch die einzustellende Generatordrehzahl nl entsprechend Gl. (b) fest. Der Einfachheit halber bezieht sich A b b. 2 auf ein Windrad mit direktem Antrieb des Generators 3, d. h. ohne Getriebe 2. Die dargestellte Kurve zeigt die Abhängigkeit des abgegebenen Moments Mvon der Drehzahl n für eine Windgeschwindigkeit vals Parameter, wobei der Arbeitspunkt Pdurch den maximalen Leistungsbeiwert CL max festgelegt wird.
• Der magnetische Fluß #M des Motorfeldes ist nun so einzustellen, daß die Motordrehzahl flii konstant bleibt.
• Aus A b b. 1 ergibt sich zunächst das Spannungsgleichgewicht c . #G . nI - 1G r = c <1>Af flil + 1Af (c) wobei c = CG = cMundr= rG = rMhier der Einfachheit halber gleichgesetzt werden. In A b b. 1 ist der Ankerwiderstand rG des Generators 3 durch den Widerstand 4 und der Ankerwiderstand des Motors 9 durch den Widerstand 8 dargestellt. Der magnetische Fluß ÇM in der Motor-Feldwicklung 10 wird über den steuerbaren Gleichrichter 13 zweckmäßig nach folgender Voraussetzung eingestellt: 1G = 1M = (d) und weiterhin = = konst. (e) und n,l = konst. (f) Damit ergibt sich für Gleichung (c) folgende vereinfachte Schreibweise: A nl I r = B . #M + I - r. (g) Daraus folgt Der Feldschwächung von #M mit sinkender Drehzahl flj entspricht ein gegenüber dem Generatormoment MG entsprechend verringertes Motormoment MM. Diese Antiproportionalität der Momente und Drehzahlen ermöglicht die Konstanthaltung von nII: MG nl nu # MM . n,l . ü) Wenn die Belastung nun mit lAr < 1G = I (k) angenommen wird, so stellt sich sowohl für nI wie für flii ein höherer Wert ein als mit Gleichung (h) erreicht werden soll. Durch den Nebenschlußwiderstand 12 zum Motorkreis wird ein weiterer Laststrom In über den steuerbaren Gleichrichter 11 eingestellt, welcher die Forderung 1L = IG - 1M (1) erfüllen muß. Hierfür ist ein Regelkreis mit der Drehzahlfrequenz nll vorgesehen. Beim Anfahren des Windrades, z. B. durch schnelles Steigen von v von Windstille auf einen Wert q wird der Motor 9 bei steigenden Drehzahlen fli und nll vom Windrad hochgeschleppt. Das Windrad durchläuft dabei seinen stationären Arbeitspunkt n,=f(v,) vergl. Punkt P in Ab b. 2. Die Belastung der Motorwelle und damit des Generators erfolgt erst, nachdem flii innerhalb eines bestimmten Toleranzbereiches eingefahren ist. Steigt die Windgeschwindigkeit dann weiter auf v2, so verhindert die zu diesem stationären Arbeitspunkt eingestellte vergrößerte elektromotorische Kraft des Motors EMKM = CM (/)M }111 (m) durch den Gleichrichter 6 eine Wirkungsumkehrung von Generator und Motor. Der Strom I verschwindet bei der Beschleunigung ni; dieser Vorgang erfolgt praktisch im Leerlauf des Windrades. Ein mit der Motorwelle starr gekuppeltes Schwungrad 21 vermeidet unzulässige Drehzahlabsenkungen von flii nach Erreichen des Sollwertes flii innerhalb einer zulässigen Toleranz. Eine dynamische Abstimmung zur Stabilisierung der Anordnung erfolgt durch entsprechend ausgelegte hier nicht dargestellte Netzwerke für die Feldeinstellung ZJ?M in Verbindung mit einem hier nicht dargestellten Regler für flii. Insbesondere bei kurzzeitig periodischem Verlauf der Windgeschwidigkeit v(Böen) wird automatisch ein Mittelwert v für die Arbeitspunkteinstellung P des Windrades gebildet und zur Einstellung von ¢!N verwendet. Der Regler hat am Ausgang die Stellgröße YL und würde bei sinkender Lastforderung 1M den zugehörigen steuerbaren Gleichrichter 11 entsprechend öffnen. Der überschüssige, im allgemeinen stark schwankende Laststrom IL kann z. B.
• zur Heizung, zur Elektrolyse oder zum Betrieb von Pumpen verwendet werden.
• Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt A b b.3. Diese Anordnung enthält außer den in A b b. 1 dargestellten Elementen einen Dieselmotor 16. Außerdem sind hier der Rechner 17, der Windmesser 18, der Drehzahlregler 19 und der Spannungsregler 20 dargestellt. Übersteigt die vom Generator 7 zu liefernde Leistung die infolge Windkraft lieferbare Leistung, so wird der Fehlbetrag der Leistung durch den ebenfalls auf die Welle des Generators 7 wirkenden Dieselmotor 16 geliefert. Durch den Regler 19 wird über den steuerbaren Gleichrichter 11 und das Stellglied 22 die Drehzahl flii des Generators konstant gehalten. In Verbindung mit der CL- optimalen Feldsteuerung des Motors 9 wird somit sichergestellt, daß die Windenergie Vorrang erhält. Der Rechner 17 erhält von dem Windmesser 18 ein der Windgeschwindigkeit v entsprechendes Signal und bildet eine dem Fluß ÇM des Motorfeldes It. Gleichung (h) entsprechende Stellgröße v,welche einem steuerbaren Gleichrichter 13 zugeführt wird. Weiterhin bildet der Rechner 17 die Drehzahl fli (W) als Sollwert entsprechend der Beziehung (b) und führt den Wert n(w) als Hilfsgröße dem Regler 19 zu, der diesen Wert mit dem von einem Drehzahlmesser 23 gelieferten Istwert n1 (x) vergleicht. Solange n (x) < fli (w festgestellt wird, bleibt der steuerbare Gleichrichter 11 geschlossen. Diese Maßnahme dient dem schnellen Erreichen stabiler Arbeitspunkte, z. B. bei der Drehzahl fl, des Windrades entsprechend F i g. 2. Der Regler 19 liefert die Stellgrößen YL und YK zur Konstanthaltung der Drehzahl null. Die Stellgröße yK beeinflußt die Leistungseinstellung des Motors 16 derart, daß dieser eine höhere Leistung abgibt, wenn der am Ausgang des Generators 7 geforderte Leistungsbetrag größer ist als der vom Windrad 1 entsprechend den Windverhältnissen lieferbare Betrag. Die Konstanthaltung der Drehzahl wird durch ein Schwungrad 21 erleichtert.
• Eine andere hier nicht dargestellte Abwandlung der Anordnung besteht darin, daß der Dieselmotor 16 z. B.
• durch eine mittels Sonnenenergie getriebene Dampfturbine ersetzt wird.
• Eine weitere denkbare Abwandlung der Anordnung besteht darin, daß der elektrische Drehzahlwandler durch einen hydraulischen Drehzahlwandler ersetzt wird, wobei anstelle des Generators 3 eine Hydraulikpumpe und anstelle des Motors 9 ein Hydraulikmotor tritt. In diesem Falle entsprechen den Gleichrichtern 6 und 11 hydraulische Steuerventile und anstelle des Lastwiderstandes 12 tritt z. B. eine hydraulisch betriebene Pumpe eines Speicherwerkes.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Anordnung zur Anpassung einer Windkraftmaschine an einen, ein Verbrauchernetz speisenden elektrischen Generator, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Wellenleistung der Windkraftmaschine (1) einem einen Elektromotor (9) antreibenden ersten Generator (3) zugeführt und der Motor (9) mit einem zweiten, ein Verbrauchernetz speisenden Generator gekuppelt ist und mit Hilfe eines von einem Windmesser beaufschlagten Rechners (17) ein Ausgangssignal des Rechners gebildet ist, das die Erregerleistung des Motors (9) bei ausreichendem Windangebot derart steuert, daß die Drehzahl des Generators (7) praktisch konstant ist und ein Drehzahlregler (19) die überschüssige Energie mittels eines regelbaren Gleichrichters (11) einem Nebenschlußkreis des Motors (9) zuführt, wenn das Windangebot die am Ausgang des Generators (7) entnommene Leistung übersteigt.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle des Generators (9) am Ausgang der Anordnung eine Kraftmaschine (16) angeordnet und mittels der Regeleinrichtung derart auf konstante Drehzahl regelbar ist, daß die Kraftmaschine den Fehlbetrag der Leistung übernimmt, wenn das Windangebot die am Generatorausgang entnommene Leistung unterschreitet.
3. 3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung des Windrades (1) mittels der Steuereinrichtung derart steuerbar ist, daß die Belastung erst dann erfolgt, wenn das Windrad nach abgeschlossener Beschleunigung im Leerlauf einen stabilen Arbeitspunkt erreicht hat.
4. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlwandler durch einen Elektro-Maschinensatz, hauptsächlich bestehend aus einem Generator und einem Motor, verwirklicht ist.
5. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlwandler (3, 9) durch einen hydraulischen Maschinensatz, hauptsächlich bestehend aus einer Pumpe und einem Hydraulikmotor, verwirklicht ist.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung den Einstellwinkel der Windradblätter mittels des Windmessers (18), des Rechners (17) und einer Blattverstellung auf optimalen Leistungsbeiwert einstellt, wenn die Windradauslegung keinen festen optimalen Einstellwinkel aufweist.

   Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Anpassung eines Windrades an einen elektrischen Generator.

   Es sind verschiedene Lösungen bekannt, um mit Hilfe eines Windrades und eines elektrischen Generators elektrische Energie zu gewinnen.

   So ist es bekannt, ein bestehendes elektrisches Drehstrom-Versorgungsnetz mit Erzeugern und Verbrauchern dadurch abzustützen, daß windgetriebene Drehstromgeneratoren hinzugeschaltet werden. Hierbei ist es wichtig, daß die Generatoren netzsynchron betrieben werden. Bei starrer Kupplung von Generator und Windrad bedeutet dies, daß das Windrad mit konstanter Drehzahl umläuft. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß infolge der konstanten Windrad-Drehzahl im allgemeinen kein maximaler Leistungsbeiwert erreicht wird. Die Synchronisierung erfolgt durch eine Synchronisiereinrichtung, wobei der Phasenwinkel ein Maß für die abgegebene Leistung des Generators ist.

   Bei einer anderen bekannten Anordnung dieser Art wird eine Pufferbatterie verwendet, um die windbedingten Versorgungslücken auszugleichen, wobei ein sinnvolles Zusammenwirken von Generator und Batterie z.B. durch einen Spannungsregler bekannter Art sichergestellt wird. Bei dieser Anordnung ist ein Umformer erforderlich, da die Anordnung nicht Gleichstrom, sondern Wechsel- bzw. Drehstrom liefern soll. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Erstellungskosten wegen der Batterie im allgemeinen nicht vertretbar sind.

   Bei einer weiteren bekannten Anordnung, bei der ein Windrad einen elektrischen Generator antreibt, ist eine Kraftmaschine, z. B. Dieselmotor, vorgesehen, die auf den Generator wirken kann, wenn das Windangebot ausbleibt oder die ausnutzbare Leistung allein des Windrades die am Generatorausgang entnommene Leistung unterschreitet. Gegenüber einer Anordnung mit Pufferbatterie ergeben sich hier folgende vorteilhafte Merkmale: 1. geringer Platzbedarf, 2. hohe Lebendauer der Kraftmaschine, 3. niedrige Erstellungskosten, 4. Kraftstoff wird nur dann verbraucht, wenn das Windangebot nicht ausreicht.

   Demgegenüber weist die vorbeschriebene Anordnung folgende nachteilige Merkmale auf: 1. Da am Ausgang der Anordnung Wechsel- bzw.

   Drehstrom verlangt wird, muß der Generator mit konstanter Drehzahl laufen. Hieraus folgt bei direkter Kupplung, daß das Windrad im allgemeinen nicht mit maximalem Leistungsbeiwert betriebenwird.

   2. Um trotz ungünstiger Leistungsbeiwerte eine ausreichende Leistungsausbeute der Windenergie zu erzielen, ist auch hier eine gewisse Überdimensionierung des Windrades erforderlich, was sich nachteilig auf die Abmessungen und die Erstellungskosten des Windrades auswirkt.

   Demgemäß besteht die Erfindungsaufgabe darin, eine Anordnung zur Anpassung eines Windrades an einen elektrischen Generator zu schaffen, bei der das Windrad immer mit maximalem Leistungsbeiwert betrieben wird, eine andere Energiequelle, z. B. eine Kraftmaschine, den Fehlbetrag der Leistung liefern kann, wenn die Windenergie nicht ausreicht, und der am Ausgang der Anlage befindliche Generator derart auf konstanter Drehzahl und konstanter Spannung gehalten wird, daß das Zusammenwirken der beteiligten Maschinen stufenlos erfolgt.