DE3342583A1

DE3342583A1 - Verfahren zum betrieb einer windkraftanlage

Info

Publication number: DE3342583A1
Application number: DE19833342583
Authority: DE
Inventors: Herrmann Dipl.-Ing. Hald; Jens-Peter Dipl.-Ing. 7250 Leonberg Molly
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1983-11-25
Filing date: 1983-11-25
Publication date: 1985-06-05
Also published as: DE3342583C2

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage mit einem windkraftgetriebenen Rotor zum Antrieb eines elektrische Energie erzeugenden Generators, bei welchem man durch eine Rotorblattverstellung die Leistungsaufnahme des Rotors der Windkraftanlage steuert.
Windkraftanlagen dieser Art arbeiten bei sehr unterschiedlichen Windstärken. Es ist daher notwendig, entweder den elektrischen Generator für die höchsten auftretenden Windstärken auszulegen oder bei einem schwächer ausgelegten Generator die Leistungsaufnahme des Generators zu begrenzen, beispielsweise durch Verstellung der Rotorblätter.
Dadurch kann das vom Wind auf den Rotor übertragene Drehmoment eingestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe -zugrunde, das Verfahren zur Steuerung einer Windkraftanlage derart zu verbessern, daß die mögliche Generatormaximalleistung entsprechend der momentanen zulässigen Betriebsbedingungen auch höher als die Generatornennleistung sein kann, um somit eine optimale Energieausbeute zu erzielen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man die Temperatur des Generators überwacht und die Leistung des Rotors in Abhängigkeit von dieser Temperatur so steuert, daß eine kritische Generatortemperatur nicht überschritten wird.
Wenn ein erhöhter Leistungsbedarf auftritt, wird es dadurch möglich die Leistungsaufnahme des Rotors durch Verstellung der Rotorblätter im Rahmen der festgestellten Temperaturreserve des Generators so weit zu erhöhen, daß eine bstiiarnte, z.B.. durch Temperatursensoren überwachte Steigerung der Leistungsabgabe des Generators eintritt.
Andererseits ist es auch möglich, kurzzeitige überlastungen des Generators, beispielsweise durch Windböen, zuzulassen, solange die kritische Temperatur des Generators dabei nicht erreicht wird. Vorteilhaft ist es weiterhin, daß ein Betrieb des Generators unter seiner Nennleistung, beispielsweise beim Abflauen des Windes, berücksichtigt werden kann. Bei diesem Betrieb unter Nennleistung tritt eine geringere Erwärmung bzw. Abkühlung des Generators ein, so daß in einer anschließenden Betriebsphase der Generator oberhalb der Nennleistung betrieben werden kann, ohne daß die kritische Temperatur erreicht wird.
Insgesamt erhält man durch diese Steuerung die Möglichkeit, die Leistungsabgabe und damit die Energieausbeute bezogen auf die Größe des Generators zu erhöhen.
Im Dauerbetrieb des Generators bei seiner Nennleistung wird die leistungsbegrenzende kritische Temperatur normalerweise und bei Windkraftanlagen im besonderen nicht erreicht.
Die Windkraftanlage kann dann mit einer Leistungsabgabe oberhalb der Nennleistung betrieben werden, wobei Dauer und/oder die Höhe der Leistungsabgabe abhängig sind von den momentan vorhandenen Temperaturreserven des Generators. Diese Betriebsart ermöglicht es, kurzzeitige Leistungsaufnahmeerhöhunaen zuzulassen, beispielsweise bei Windböen oder in Leiten eines erhöhten Bedarfs beispielsweise im Inselbetrieb oder zum Leistungsschwankungsausgleich mehrerer zusammenarbeitender Windkraftanlagen bei hohem Leistungsniveau. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man mehrere Windkraftanlagen gemeinsam so- steuert, daß man zum Ausnützen lokaler Böen oder zur Abgabe von Spitzenleistungen nur die Leistung der Windkraftanlagen erhöht, deren Generatoren eine unter der kritischen Temperatur liegende Temperatur haben. In einem solchen Verbund kann eine Steuerung anhand der Temperatursignale der einzelnen Windkraftanlagen feststellen, welche Windkraftanlage zusätzlich belastet werden kann. Die Steuerung kann dann gezielt die Rotorblätter der noch zusätzlich belastbaren Windkraftanlagen so verstellen, daß diese Windkraftanlagen eine höhere Leistung aufnehmen. Dadurch kann die Gesamtleistungsabgabe des Windparks erhöht oder/und die windbedingte Leistungsabgabeschwankung vermindert werden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Windkraftanlage mit einer von der Temperatur des Generators zusätzlich abhängigen Regelung.
Die eigentliche Windkraftanlage umfaßt einen drehbar gelagerten Rotor 1, der vom Wind in Drehbewegung versetzt wird. Diese Drehbewegung wird über ein Getriebe 2 auf einen elektrischen Generator 3 übertragen, der elektrische Leistung z.B. an ein öffentliches Netz 4 abgibt.
Der Rotor 1 ist mit einer Rotorblattverstellung 5 versehen, durch die das vom Wind auf das Rotorblatt übertragene Drehmoment und damit die Leistungsaufnahme des Rotors eingestellt werden können. Durch geeignete Sensoren werden die Drehzahl des Rotors 1, die vom Generator abgegebene elektrische Leistung und die Temperatur der Generatorwicklung an kritischen Stellen gemessen, entsprechende elektrische Signale gebildet und einer Regelung 6 zugeführt. Dieser Regelung kann auch ein der Windgeschwindigkeit entsprechendes elektrisches Signal übermittelt werden. Aus diesen Signalen bildet die Regelung ein Steuersignal für die Rotorblattverstellung.
Bei einem erhöhten Leistungsbedarf oder/und einem über der Nennleistung liegenden Windenergieangebot kann diese Regelung die Leistungsaufnahme der Windkraftanlage erhöhen, wenn die Temperatur des Generators unterhalb der kritischen Temperatur liegt, die der Generator nicht überschreiten darf. Diese Erhöhung der Leistung kann kurzfristig erfolgen, so daß der Generator mit einer Leistung betrieben wird, die unter Umständen erheblich über seiner Nennleistung liegt. Dies ist zür den Generator dann absolut nicht schädlich, wenn die kritische Temperatur nicht überschritten wird.
Es ist auch möglich, den Generator über einen längeren Zeitraum mit einer erhöhten Leistung zu betreiben, wenn beispielsweise aufgrund der Außenteiaperaturen und aufgrund der Kühlung des Generators durch den Wind die kritische Temperatur des Generators erst bei einer Leistungsabgabe erreicht wird, die über seiner Nennleistung liegt.
In jedem Fall ist es durch diese zusätzliche temperaturabhängige Regelung möglich, bei einem Generator bestimmter Baugröße eine erhöhte Leistungsabgabe zu erreichen, verglichen mit einem Generator, bei dem der jeweilige Temperaturzustand des Generators die Regelung nicht beeinflußt. Im letzteren Fall muß nämlich aus Sicherheitsgründen ohne Rücksicht auf die vorherige Betriebsart des Generators immer eine maximale Leistung eingehalten werden, die so gewählt sein muß, daß beim Dauerbetrieb sicher keine überhöhte Temperatur im Generator auftritt. Diese Maximalleistung entspricht normalerweise der Generatornennleistung.
Besonders vorteilhaft ist der Betrieb einer in dieser Weise zusätzlich temperaturabhängig geregelten Windkraftanlage dann, wenn mehrere solcher Windkraftanlagen zu einem gemeinsamen System zusammengeschaltet sind. Dann können der Regelung jeder Windkraftanlage auch Signale zugeführt werden, die der Windgeschwindigkeit, der Leistungsabgabe und der Generatortemperatur bei anderen Windkraftanlagen entsprechen; dies ist in der Zeichnung durch den Kasten 7 angedeutet. Aus den Daten anderer im Verbund betriebener Windkraftanlagen kann die Regelung dann feststellen, welcher Generator stärker belastet werden kann, beispielsweise wenn ein Spitzenbedarf entsteht. Andererseits können lokale Böen auf diese Weise wesentlich besser ausgenutzt werden, da die Rotorblätter der Windkraftanlagen im Böengebiet durch die Regelung gezielt so eingestellt werden können, daß die kritischen Temperaturen der betroffenen Generatoren gerade nicht überschritten werden. Wesentlich ist dabei, daß einzelne Generatoren unter Umständen noch erhebliche Leistungsreserven aufweisen, die bei Böen ausgenützt werden können. Bei Anlagen, bei denen die Temperatur nicht gemäß der Erfindung überwacht wird, wären jedoch gezielte Uberschreitungen der Nennleistung der Generatoren nicht möglich, so daß die Windböen nicht ausgenützt werden und nicht zur Leistungsabgabeerhöhung oder Leistungsschwankungsverminderung herangezogen werden könnten. Die kontrollierte Ausnutzung vorhandener Temperaturreserven im Generator bewirkt gegenüber herkömmlich ausoelegten Anlagen, daß hiermit eine größere Energiemenge durch die Windkraftanlage umgewandelt werden kann, was deren Wirtschaftlichkeit verbessert.
Ein einfach nur größerer Generator hätte nicht den gleichen Effekt, da er größer, schwerer und damit teurer wäre und da er außerdem dann viel häufiger nur im Teillastbereich mit einem damit verbundenen schlechteren Wirkungsgrad arbeiten würde.
Der Aufwand für die erfindungsgemäße temperaturabhängige Regelung ist außerordentlich gering, denn es genügt, die Temperatur an kritischen Generatorstellen zu überwachen und ein entsprechendes Steuersignal an die Regelung zu übermitteln, die bei konventioiiellen Windkraftanlagen ohnehin bereits vorhanden ist.
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Claims

Patentansgrüche: Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage mit einem windkraftgetriebenen Rotor zum Antrieb eines elektrische Energie erzeugenden Generators, bei welchem man durch eine Rotorblattverstellung die Leistungsaufnahme des Rotors der Windkraftanlage steuert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Temperatur des Generators überwacht und die Leistungsaufnahme des Rotors in Abhängigkeit von dieser Temperatur so steuert, daß eine kritische Generatortemperatur nicht überschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB man die Normalleistung so wählt, daß die kritische Temperatur nicht erreicht wird, und daß man die Windkraftanlage kurzzeitig mit erhöhter Leistung betreibt, wobei man die Dauer dieses Betriebes und/oder die erhöhte Leistung so wählt, daß die kritische Temperatur des Generators nicht erreicht wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere Windkraftanlagen gemeinsam so steuert, daß man zum Ausnützen lokaler Böen oder zur Abgabe von Spitzenleistungen nur die Leistung der Windkraftanlagen erhöht, deren Generatoren eine unter der kritischen Temperatur liegende Temperatur haben.