DE29621449U1 - Device for improving the grid compatibility of wind turbines with asynchronous generators - Google Patents
Device for improving the grid compatibility of wind turbines with asynchronous generatorsInfo
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Description
VORRICHTUNG ZUR VERBESSERUNG DER NETZVERTRÄGLICHKEIT VON WINDKRAFTANLAGEN MIT ASYNCHRONGENERATORENDEVICE FOR IMPROVING THE GRID COMPATIBILITY OF WIND TURBINES WITH ASYNCHRONOUS GENERATORS
Gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Verbesserung der Netzverträglichkeit von Windkraftanlagen mit Asynchrongeneratoren, die an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen sind.According to the preamble of claim 1, the present invention relates to a device for improving the grid compatibility of wind turbines with asynchronous generators that are connected to a power supply network.
Windenergieanlagen, die an ein Stromversorgungsnetz gekoppelt sind, sind im Stand der Technik wohlbekannt. Problematisch an diesen netzgekoppelten Windkraftanlagen ist die Tatsache, daß die elektrischen Schwankungen einer derartigen Windkraftanlage verhältnismäßig groß sind, da Schwankungen der Windkraft sich direkt auf die Leistungsabgabe der Asynchrongeneratoren auswirkt .Wind turbines that are connected to a power grid are well known in the art. The problem with these grid-connected wind turbines is the fact that the electrical fluctuations of such a wind turbine are relatively large, since fluctuations in wind power have a direct effect on the power output of the asynchronous generators.
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; Ein":"änderel>f^Problem" stellt die Wechselwirkung von untereinander 'gekoppelten 'Windkraftanlagen dar. Ein wesentlicher Auslöser derartiger Störungen ist der sogenannten Turmstaueffekt, d.h. daß eine Leistungsschwankung entsteht, wenn das Rotorblatt einer Windkraftanlage im Turmbereich eine Zone verringerter Windgeschwindigkeit durchquert. Beim Synchronlauf überlagern sich die Schwankungen der einzelnen Anlagen im gemeinsamen Netzeinspeisepunkt zu einer maximalen SpannungsSchwankung, die zu einem erheblichen Flicker führt. Die Wechselwirkung zwischen den Windkraftanlagen erfolgt über die aus den LeistungsSchwankungen resultierenden Spannungsschwankungen. ; A problem is the interaction of wind turbines that are 'coupled' with each other. A major cause of such disturbances is the so-called tower jam effect, ie a power fluctuation occurs when the rotor blade of a wind turbine crosses a zone of reduced wind speed in the tower area. During synchronous operation, the fluctuations of the individual turbines overlap at the common grid feed-in point to create a maximum voltage fluctuation, which leads to considerable flicker. The interaction between the wind turbines occurs via the voltage fluctuations resulting from the power fluctuations.
Der Betrieb einer Windkraftanlage am Netz ist dann zulässig, wenn bestimmte Grenzwerte der SpannungsSchwankungen nicht überschritten werden. Die Spannungsänderungen &Dgr;&udigr; müssen < 3% sein, und der Langzeitflicker At ist < 0,1 zu halten.The operation of a wind turbine on the grid is permitted if certain limit values for voltage fluctuations are not exceeded. The voltage changes Δδ must be < 3% and the long-term flicker Δt must be kept < 0.1.
Ein- und Ausschaltvorgänge führen ebenfalls zu Spannungsänderungen. Drehzahlvariable Windkraftanlagen haben netzgeführte Frequenzumrichter, die für Oberschwingungen verantwortlich sein können. Diese wirken sich störend auf andere Verbraucher aus und erzeugen zusätzliche Verluste und Erwärmungen im Netz.Switching on and off also leads to voltage changes. Variable speed wind turbines have grid-controlled frequency converters, which can be responsible for harmonics. These have a disruptive effect on other consumers and generate additional losses and heating in the grid.
Der Einschaltvorgang einer Windkraftanlage mit direkt netzgekoppeltem Asynchrongenerator läuft üblicherweise wie folgt ab: Nach dem Einschaltsignal bleibt die Anlage zunächst noch eine gewisse Zeit, beispielsweise 1 Minute, in Ruheposition. Danach wird die Anlage ohne Netzkopplung vom Wind hochgefahren, bis die Synchrondrehzahl erreicht ist. In diesem Moment schaltet ein Thyristorsteller den Generator auf das Netz, wobei der Thyristorsteller den Einschaltstrom des Generators begrenzt. Nach einigen Sekunden wird der Thyristorsteller durch ein Netzschütz überbrückt, so daß der Generator direkt am Netz liegt. Beim Aufschalten einer einzelnen Windkraftanlage ist ein verhältnismäßig großer Blindleistungsbedarf notwendig. Diese Blindleistung belastet das Netz ebenfalls. Ähnliche Verhältnisse herrschen beim Aufschalten von Windkraftanlagen in einem sogenannten Windpark,The switch-on process of a wind turbine with a directly grid-connected asynchronous generator usually takes place as follows: After the switch-on signal, the turbine initially remains in the idle position for a certain time, for example 1 minute. The turbine is then started up by the wind without being connected to the grid until the synchronous speed is reached. At this moment, a thyristor controller switches the generator to the grid, whereby the thyristor controller limits the generator's switch-on current. After a few seconds, the thyristor controller is bridged by a grid contactor, so that the generator is directly connected to the grid. When switching on a single wind turbine, a relatively large reactive power requirement is necessary. This reactive power also puts a load on the grid. Similar conditions prevail when switching on wind turbines in a so-called wind farm,
·_:?-";■■■■&ngr;:bei'dem eine Mehrzahl von Windkraftanlagen zusammengeschaltet sind.·_: ? -";■■■■ &ngr;: in which a plurality of wind turbines are connected together.
Ein Thyristorsteller erzeugt durch die Phasenanschnittsteuerung Oberschwingungen höherer Ordnung. Die langwelligen Leistungsschwankungen, die ebenfalls auftreten, werden durch eine Vielzahl von Parametern erzeugt, die an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.A thyristor controller generates higher order harmonics through phase control. The long-wave power fluctuations that also occur are generated by a variety of parameters that will not be explained in detail here.
Der Gesamtkomplex dieser oben aufgezeigten Probleme birgt eine Menge zu lösender Einzelaufgaben, die durch die Vielzahl der Windkraftanlagen und die Leistungssteigerung in den Megawattbereich besonders relevant erscheinen. Um die vorhandene Aufnahmefähigkeit der EVU-Netze weitmöglichst auszunutzen, ist daher eine Verbesserung der Netzverträglichkeit der Windkraftanlagen wünschenswert. Viele Windkraftanlagen, die bereits an das EVU-Netz direkt gekoppelt sind, haben zwar den Vorteil, daß sie robuste Generatoren sowie einfache Steuerschränke und oberwellenfreie Netzströme erzeugen und darüber hinaus einfach und kostengünstig sind, weisen jedoch durch die starre Netzkopplung erhebliche Netzflicker-Rückwirkungen je nach Rotordrehzahl zwischen bis 2 Hz auf. Dieser Effekt tritt besonders bei großen Windkraftanlagen auf und führt dazu, daß nur wenige Windkraftanlagen an ein vorhandenes EVU-Netz angeschlossen werden dürfen.The overall complex of the problems outlined above involves a number of individual tasks that need to be solved, which appear particularly relevant due to the large number of wind turbines and the increase in output in the megawatt range. In order to make the most of the existing capacity of the utility grids, an improvement in the grid compatibility of the wind turbines is therefore desirable. Many wind turbines that are already directly connected to the utility grid have the advantage of producing robust generators, simple control cabinets and harmonic-free grid currents, and are also simple and inexpensive, but due to the rigid grid connection they have considerable grid flicker effects, depending on the rotor speed, between 2 and 4 Hz. This effect occurs particularly in large wind turbines and means that only a few wind turbines can be connected to an existing utility grid.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, die Netzverträglichkeit mindestens einer Windkraftanlage mit einfachen kostengünstigen Mitteln zu verbessern.It is therefore an object of the present invention to provide a device which is able to improve the grid compatibility of at least one wind turbine using simple, cost-effective means.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.This object is achieved according to the invention by the characterizing features of the main claim.
Danach ist die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einem vom Wind getriebenen Rotor, der mechanisch mit einem Asynchrongenerator gekoppelt ist, der an ein öffentliches Stromversorgungsnetz angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen rechnerge-According to this, the wind power plant according to the invention with a wind-driven rotor that is mechanically coupled to an asynchronous generator that is connected to a public power grid is characterized by a computer-controlled
steuerten Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis und einem Zwischenspeicher, der kurzfristige, vom Leistungmittelwert abweichende positive Leistungsschwankungen aufnimmt und zeitversetzt wieder abgibt.controlled converter with a DC intermediate circuit and a buffer that absorbs short-term positive power fluctuations that deviate from the average power value and releases them again with a time delay.
Die Methode, nach der diese Windkraftanlage zur Verbesserung der Netzverträglichkeit mit Asynchrongeneratoren bei Zuschaltung an das öffentliche Stromversorgungsnetz arbeitet, zeichnet sich dadurch aus, daß eine elektronisch gesteuerte Einrichtung die kurzfristigen, vom Mittelwert abweichenden positiven Leistungsschwankungen aufnimmt und zeitversetzt wieder abgibt.The method by which this wind turbine works to improve grid compatibility with asynchronous generators when connected to the public power grid is characterized by the fact that an electronically controlled device absorbs the short-term positive power fluctuations that deviate from the average value and releases them again with a time delay.
Ein Grundgedanke dieser Erfindung ist es, die Netzverträglichkeit eines Asynchrongenerators dadurch zu verbessern, daß ein Zwischenspeicher vom Mittelwert überschüssige Leistung aufnimmt und zu einem passenden Zeitpunkt später wieder abgibt. Dadurch wird die Leistungsabgabe gelättet und der Flickerwert erniedrigt. Für den Fall, daß lediglich die Energie der Leistungsschwankungen aufgenommen werden soll, reicht ein Speicher aus, der beispielsweise 10% der Nennleistung bei einer Speicherdauer von maximal einigen Sekunden aufweist. Um Leistungsspitzen bei auftretenden Schaltvorgängen bei geladenem Zwischenspeicher zu verhindern, wird die überschüssige Energie dann in Wärme umgesetzt. A basic idea of this invention is to improve the grid compatibility of an asynchronous generator by having an intermediate storage unit absorb excess power from the average value and release it again at a suitable time later. This smooths out the power output and reduces the flicker value. If only the energy from the power fluctuations is to be absorbed, a storage unit that has, for example, 10% of the nominal power with a storage time of a maximum of a few seconds is sufficient. In order to prevent power peaks when switching operations occur when the intermediate storage unit is charged, the excess energy is then converted into heat.
Die Steuerung besteht vorzugsweise aus einem rechnergesteuerten Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis, in dem Spulen bzw. Kondensatoren oder andere Speichermittel als Zwischenspeicher eingesetzt werden können. Die Energieableitung kurzfristiger Leistungsspitzen höherer Ordnung werden mittels eines passiven Bauelements abgeleitet, wobei das Bauelement als Heizelement ausgebildet sein kann.The control preferably consists of a computer-controlled converter with a direct current intermediate circuit in which coils or capacitors or other storage devices can be used as intermediate storage. The energy dissipation of short-term power peaks of a higher order is dissipated by means of a passive component, whereby the component can be designed as a heating element.
Vorteilhafterweise ist der Umrichter ein Wechselrichter, mit einem Gleichstromzwischenkreis, das heißt, daß der Wechselstrom in Gleichstrom und anschließend wieder in Wechselstrom umgerich-Advantageously, the converter is an inverter with a direct current intermediate circuit, which means that the alternating current is converted into direct current and then back into alternating current.
sind kommerziell Stand der Tech-are commercially state of the art
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further features essential to the invention can be found in the dependent claims.
Im nun folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigt:In the following, the present invention is explained in more detail using drawings. It shows:
Fig. 1 eine schematische Prinzipschaltung der gesamten Windkraftanlage (1) ;Fig. 1 a schematic circuit diagram of the entire wind turbine (1) ;
Fig. 2 ein Zeit-Lei-stungsdiagramm, bei dem eine Schaltspitze (8) auftritt;'Fig. 2 is a time-power diagram in which a switching peak (8) occurs;'
Fig. 3 ein Zeit-Leistungsdiagramm, bei dem eine Leistungsspitze (81) über der maximal zulässigen Leistung (Pmax) auftritt. Fig. 3 is a time-power diagram in which a power peak (8 1 ) occurs above the maximum permissible power (Pmax).
Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipschaltung der gesamten Windkraftanlage 1. Die Windkraftanlage 1 weist einen Rotor 2 auf, dessen Rotorblätter (hier drei) je nach Windrichtung und Windstärke verstellbar sind. Die Rotorebene kann dabei vertikal oder horizontal liegen. Kraftschlüssig mit dem Rotor 2 ist ein Asynchrongenerator 3 verbunden, der eine abzugebende elektrische Leistung erzeugt. Diese elektrische Leistung wird in das öffentliche Netz 5 bei Bedarf eingespeist, das im allgemeinen die Phasen R, S, T aufweist. Diesem öffentlichen Netz 5 ist die erfindungsgemäße Einrichtung 4 parallelgeschaltet, die eine Mehrzahl von Schaltern 11, 12, 13 beinhaltet. In dieser elektronisch gesteuerten Einrichtung 4 befindet sich ebenfalls ein kommerziell erhältlicher Umrichter, der Wechselstrom über einen Gleichstromkreis in Wechselstrom wandelt. Da dieser Umrichter nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird er an dieser Stelle nicht näher beschrieben.. Zu der elektronisch gesteuerten Einrichtung 4 gehört als Kernstück ein Zwischenspeicher 7, der kurzfristige, vom Mittelwert abweichende positive Leistungsschwankungen aufnimmt und sie mittels elektronisch gesteuerter Schalter 11, 12, 13 zeitversetzt wieder abgibt. Der zeitliche Abstand wird durch dieFig. 1 shows a basic circuit of the entire wind turbine 1. The wind turbine 1 has a rotor 2, the rotor blades of which (three here) can be adjusted depending on the wind direction and wind strength. The rotor plane can be vertical or horizontal. An asynchronous generator 3 is connected to the rotor 2 in a force-locking manner, which generates electrical power to be output. This electrical power is fed into the public network 5 as required, which generally has the phases R, S, T. The device 4 according to the invention, which contains a plurality of switches 11, 12, 13, is connected in parallel to this public network 5. This electronically controlled device 4 also contains a commercially available converter that converts alternating current into alternating current via a direct current circuit. Since this converter is not the subject of the present invention, it will not be described in detail here. The electronically controlled device 4 has as its core a buffer 7, which absorbs short-term positive power fluctuations that deviate from the average value and releases them again with a time delay using electronically controlled switches 11, 12, 13. The time interval is determined by the
elektronische Steuerung geregelt. Für den Fall, daß die maixmal zulässige ,Leistungsabgabe der Windkraftanlage 1 erreicht ist, wird die gespeicherte Energie im Speicher 7 über einen Schalter 12 und ein passives Bauelement 10 abgeleitet. Dieses passive Bauelement 10 kann beispielsweise ein Heizelement, d.h. ein ohmscher Widerstand.electronic control. In the event that the maximum permissible power output of the wind turbine 1 is reached, the energy stored in the storage unit 7 is diverted via a switch 12 and a passive component 10. This passive component 10 can be, for example, a heating element, i.e. an ohmic resistor.
Als Zwischenspeicher 7 kommen verschiedene Speichermittel in Frage, beispielsweise eine Spule ausreichender Induktivität (L) oder ein Kondensator mit ausreichender Kapazität (C). Denkbar ist auch eine mechanische Energiespeicherung mittels eines Schwungrades oder dergleichen.Various storage means can be used as the intermediate storage device 7, for example a coil with sufficient inductance (L) or a capacitor with sufficient capacity (C). Mechanical energy storage by means of a flywheel or the like is also conceivable.
In Fig. 2 ist ein Zeit-Leistungsdiagramm P(t) gezeigt, in dem Schwankungen vom Leistungsmittelwert eingetragen sind. Im vorderen Teil des Diagramms sind regelmäßige Leistungsschwankungen eingezeichnet, die primär beim Flügeldurchgang durch den Turmschatten erzeugt werden. Die Frequenz derartiger regelmäßiger Schwankungen liegt zwischen 1 bis 3 Hz. Unabhängig davon treten bei verschiedenen Schaltvorgängen unkontrollierte Schaltspitzen 8 auf, die sich störend auf die Netzverträglichkeit der Windkraftanlage 1 auswirken, wie dies weiter oben bereits erwähnt wurde. Diese Spannungsspitzen 8 dürfen grundsätzlich einen in den DIN-Vorschriften festgelegten Grenzwert von ca. 3% nicht überschreiten. Diese Schaltspitzen 8 können mittels eines erfindungsgemäßen Zwischenspeichers 7 aufgefangen werden, um damit eine relative Glättung der eingespeisten Leistung zu erzielen, wodurch die Netzverträglichkeit erheblich verbessert wird.Fig. 2 shows a time-power diagram P(t) in which fluctuations from the average power value are entered. In the front part of the diagram, regular power fluctuations are shown, which are primarily generated when the blade passes through the tower shadow. The frequency of such regular fluctuations is between 1 and 3 Hz. Irrespective of this, uncontrolled switching peaks 8 occur during various switching processes, which have a disruptive effect on the grid compatibility of the wind turbine 1, as already mentioned above. These voltage peaks 8 must not generally exceed a limit value of approx. 3% specified in the DIN regulations. These switching peaks 8 can be absorbed by means of an intermediate storage device 7 according to the invention in order to achieve a relative smoothing of the fed-in power, whereby grid compatibility is significantly improved.
In Fig. 3 ist ein Zeit-Leistungsdiagramm dargestellt, in dem als Grenzwert die maximal einzuspeisende Leistung Pmax parallel zur Zeitachse (t) verläuft. Für den Fall, daß die maximale zulässige Einspeiseleistung (Pmax) überschritten wird, ist es Aufgabe der elektronischen Steuereinrichtung 4 die überschüssige Leistung 8' über ein passives Bauelement 10 abzuleiten, indem der Schalter 12 geschlossen wird.Fig. 3 shows a time-power diagram in which the maximum power to be fed in Pmax runs parallel to the time axis (t) as a limit value. In the event that the maximum permissible feed-in power (Pmax) is exceeded, it is the task of the electronic control device 4 to divert the excess power 8' via a passive component 10 by closing the switch 12.
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dient also dazu, Leistungs- bzw. Spannungspitzen,. die während der Schaltvorgänge im Netz auftreten, zu vermindern, um damit die Netzverträglichkeit von Windkraftanlagen oder auch anderen Stromerzeugungsanlagen wie beispielsweise photovolatische Erzeugerquellen zu verbessern.is therefore used to reduce power or voltage peaks that occur during switching operations in the network, in order to improve the network compatibility of wind turbines or other power generation systems such as photovoltaic generators.
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