DE3628137A1 - Windenergieanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Windenergieanlage ist aus Jül-Spez-138, Dez. 1981 ISSN 0343-7679 der Kernforschungsanlage Jülich GmbH, Seite 265 bis 267 bekannt.

Die durch Windkraft erzeugte Energie kann durch direkten Anschluß eines Drehstromgenerators mit konstanter Dreh­ zahl oder durch Anschluß eines Generators mit variabler Drehzahl über einen Gleichstromzwischenkreis mit netzge­ führtem Stromrichter in ein elektrisches Netz einge­ speist werden.

Bei Inselbetrieb, also fehlendem Netz, sind Lösungen mit Drehstromgeneratoren ohne zusätzlichen Akkumulator bei nahezu konstanter Generatordrehzahl oder mit Akkumula­ tor, Ladegleichrichter und nachgeschaltetem Wechselrich­ ter auf Halbleiterbasis bei variabler Generatordrehzahl möglich. Dabei werden die Ausführungen für Inselbetrieb auch in Gebieten abseits von Industriezentren in großer Entfernung vom Anlagenhersteller oder dessen Service- Stellen verwendet.

Aufgrund der komplizierten Struktur der bekannten Wind­ energieanlagen müssen zur Reparatur von ausgefallenen Bauteilen und zur Wiederingangsetzung der Anlage in nachteiliger Weise speziell ausgebildete Fachleute her­ angezogen werden.

Ein weiterer Nachteil bei Einsatz der bekannten Winden­ ergieanlagen im Inselbetrieb besteht darin, daß bei ei­ ner Auslegung auf solide Überlastbarkeit zusätzliche Kosten entstehen. Zwar schützen sich die bekannten Wech­ selrichterschaltungen durchweg durch eine automatische Strombegrenzung mit Rücksteuerung der Ausgangsspannung und gegebenenfalls zusätzlich durch Abschaltung. Sie sind jedoch im Kommutierungsvermögen und damit durchweg in ihrer Leistung auf die erwarteten Überströme hin zu dimensionieren, was zu erhöhten Kosten führt.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, eine insbesondere für den Inselbetrieb geeignete Windenergieanlage der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach und überschaubar aufgebaut ist und überla­ stet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß durch den Einsatz des Einankerum­ formers ein einfaches, überschaubares Steuer- und Regel­ konzept ermöglicht wird, das von universell ausgebilde­ tem technischen Personal in einfacher Weise gewartet und vor Ort repariert werden kann. Vorteilhaft ist ein Not­ betrieb mit Handsteuerung möglich. Obwohl die Stark­ stromkomponenten auf Nennleistung dimensioniert sind, ist eine solide Überlastbarkeit, z. B. beim Zuschalten motorischer Verbraucher, bei Störungen durch Verbrau­ cherdefekte oder die Witterung gewährleistet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es ist ein durch eine Windturbine angetriebener Wechsel- bzw. Drehstromgenerator 1 vorgesehen, der über einen Schalter 2 mit der Primärwicklung eines Transformators 3 verbindbar ist. An den Transformator 3 ist sekundärsei­ tig eine Verbrauchersammelschiene 4 angeschlossen, die über Schalter 5 bzw. 6 bzw. 7 mit verschiedenartigen Wechsel- bzw. Drehstromverbrauchern, wie Lampen 8 bzw. ohmschen Verbrauchern 9 bzw. motorischen Verbrauchern 10 verbindbar ist.

Am gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen Schalter 2 und Transformator 3 ist der erste Pol eines Schalters 11 angeschlossen. Der zweite Pol des Schalters 11 ist mit den Wechsel- bzw. Drehstromanschlüssen 12 eines Einan­ kerumformers 13 verbunden. Die Gleichstromanschlüsse 14 des Einankerumformers 13 sind über einen Schalter 15 mit einem Akkumulator 16 verbindbar.

Die Erregerwicklung 17 des Einankerumformers 13 ist über einen Schalter 18 mit einer Regeleinrichtung 19 zur Re­ gelung des Umformers 13 verbindbar. Der Regeleinrichtung 19 liegen eingangsseitig verschiedene Soll- und Istwert­ größen an, z. B. der Spannungs-Istwert an den Wechsel- bzw. Drehstromanschlüssen 12, der Spannungs-Istwert des Akkumulators 16 und der Spannungs-Sollwert an den Wech­ sel- bzw. Drehstromanschlüssen 12. Die Regeleinrichtung 19 wird über einen Schalter 20 aus dem Akkumulator 16 gespeist.

Die Erregerwicklung 17 kann alternativ hierzu auch über einen einstellbaren Vorwiderstand 22 versorgt werden, wobei der Vorwiderstand 22 über einen Schalter 21 mit dem Akkumulator 16 verbindbar ist. Durch Umschaltung des Erregerfeldes auf den Akkumulator kann über den ver­ stellbaren Vorwiderstand 22 ohne Regelung ein Notbetrieb gefahren werden.

Zum Starten des Einankerumformers 13 können die Gleich­ stromanschlüsse 14 über einen Schalter 24 und einen in Serie liegenden Anlaßwiderstand 23 mit dem Akkumulator 16 verbunden werden. Alternativ hierzu kann der Einan­ kerumformer 13 auch mit Hilfe eines Gleichstromstellers 25 gestartet werden, wobei der Gleichstromsteller 25 ei­ nerseits am Akkumulator 16 angeschlossen, andererseits über einen Schalter 26 mit den Gleichstromanschlüssen 14 verbindbar ist.

Der Einankerumformer 13 (beispielsweise aus Boedefeld/- Sequenz, Elektrische Maschinen, Springer-Verlag, Wien, New York, 1971, Seite 638 bis 644 bekannt) übernimmt die Funktion eines Ladegleichrichters für den Akkumulator 16, die Funktion eines Wechselrichters für den Energie­ transport aus dem Akkumulator 16 zu den Wechsel- bzw. Drehstromverbrauchern 8, 9, 10, die Funktion der Fre­ quenzstellung bei Betrieb ohne Wechsel- bzw. Drehstrom­ generator 1 und die Funktion eines Phasenschiebers für den Wechsel- bzw. Drehstromgenerator 1.

Die Baugröße des Einankerumformers 13 ist verhältnismä­ ßig klein wegen Beaufschlagung des Läufers durch die Durchgangsleistung in Sparschaltung. Das bedeutet eine kostengünstige Problemlösung.

Die Regelung des Einankerumformers 13 erfolgt über das Gleichstrom-Erregerfeld des Umformers (Erregerwicklung 17). Die Betriebsgrößen der Anlage werden zur Aussteue­ rung des Umformer-Erregerfeldes ausgewertet.

Bei Versorgung der Verbraucher 8, 9, 10 nur aus dem Wechsel- bzw. Drehstromgenerator 1 wird der Einankerum­ former 13 von der Verbrauchersammelschiene 4 und dem Akkumulator 16 getrennt, d. h. die Schalter 11 und 15 sind geöffnet und die Schalter 2, 5, 6, 7 sind geschlos­ sen. Die weiteren Schalter 18, 20, 21, 24 und 26 sind ebenfalls geöffnet. Diese Betriebsart tritt auf, wenn die verfügbare Windenergie gerade ausreicht, die gefor­ derte Verbraucherleistung zu decken.

Bei überschüssiger Windenergie ist der Einankerumformer 13 mit der Verbrauchersammelschiene 4 und dem Akkumula­ tor 16 verbunden, d. h. die Schalter 2, 5, 6, 7, 11 und 15 sind geschlossen. Die Speisung der Erregerwicklung 17 erfolgt alternativ über die Regeleinrichtung 19 bei ge­ schlossenen Schaltern 18, 20 und geöffnetem Schalter 21 oder über den einstellbaren Vorwiderstand 22 bei ge­ schlossenem Schalter 21 und geöffneten Schaltern 18, 20. Die weiteren Schalter 24, 2 sind geöffnet. Bei dieser Betriebsart reicht die Windenergie aus, die geforderte Verbraucherleistung zu decken und den Akkumulator 16 zu laden, wobei der Einankerumformer 13 die Funktion eines Ladegleichrichters für den Akkumulator 16 sowie die Funktion eines Phasenschiebers für den Wechsel- bzw. Drehstromgenerator 1 übernimmt.

Bei Ausbleiben der Windenergie ist der Wechsel- bzw. Drehstromgenerator 1 von der Verbrauchersammelschiene 4 getrennt, d. h. der Schalter 2 ist geöffnet und die Schalter 5, 6, 7, 11 und 15 sind geschlossen. Die Spei­ sung der Erregerwicklung 17 erfolgt wiederum alternativ über die Regeleinrichtung 19 durch Schließen der Schal­ ter 18, 20 bei geöffnetem Schalter 21 oder über den Vor­ widerstand 22 durch Schließen des Schalters 21 bei ge­ öffneten Schaltern 18, 20. Die weiteren Schalter 24, 26 sind geöffnet. Bei dieser Betriebsart übernimmt der Ein­ ankerumformer 13 die Funktion eines Wechselrichters für den Energietransport aus dem Akkumulator 16 zu den Wech­ sel- bzw. Drehstromverbrauchern 8, 9, 10 sowie gleich­ zeitig die Funktion der Frequenzstellung.

Der Einankerumformer 13 wird auf der Gleichstromseite über den Gleichstromsteller 25 bei geschlossenem Schal­ ter 26 und geöffnetem Schalter 24 oder alternativ über den Anlaßwiderstand 23 bei geschlossenem Schalter 24 und geöffnetem Schalter 26 gestartet und mit dem Wechsel- bzw. Drehstromgenerator 1 synchronisiert. Während des Startens sind die Schalter 15 und 11 geöffnet. Die Erre­ gerwicklung 17 kann alternativ über die Regeleinrichtung 19 oder über den Vorwiderstand 22 gespeist werden.

Wegen des festen Verhältnisses von Gleichspannung zu Wechsel- bzw. Drehspannung am Einankerumformer 13 kann bei großem Hub der Spannung am Akkumulator 16 ein Stu­ fentransformator (Transformator 3) zwischen Einankerum­ former und Verbraucher erforderlich werden.

Claims (9)

1. Windenergieanlage mit einem über eine Windturbi­ ne angetriebenen Wechsel- bzw. Drehstromgenerator, der über einen Transformator Wechsel- bzw. Drehstromverbrau­ cher speist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz im Inselbetrieb unter Verwendung eines Akkumulators (16) als Energiespeicher zur Ladung des Akkumulators (16) durch den Wechsel- bzw. Drehstromgenerator (1) und die Entladung des Akkumulators (16) durch die Wechsel- bzw. Drehstromverbraucher (8, 9, 10) ein Einankerumformer (13) vorgesehen ist, dessen Gleichstromanschlüsse mit dem Akkumulator (16) und dessen Wechsel- bzw. Drehstroman­ schlüsse (12) mit dem Wechsel- bzw. Drehstromgenerator (1) und den Wechsel- bzw. Drehstromverbrauchern (8, 9, 10) verbindbar sind.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein erster Schalter (2) zur Trennung des Wechsel- bzw. Drehstromgenerators (1) von den Wech­ sel- bzw. Drehstromverbrauchern (8, 9, 10) und dem Einan­ kerumformer (13) vorgesehen ist.

3. Windenergieanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schalter (11) zur Trennung des Einankerumformers (13) von den Wechsel- bzw. Drehstromverbrauchern (8, 9, 10) und dem Wechsel- bzw. Drehstromgenerator (1) vorgesehen ist.

4. Windenergieanlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Schalter (15) zur Trennung des Einankerumformers (13) vom Akkumulator (16) vorgesehen ist.

5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein vierter Schalter (24) zur Einfü­ gung eines Anlaßwiderstandes (23) als strombegrenzende Anordnung zwischen Einankerumformer (13) und Akkumulator (16) vorgesehen ist.

6. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein fünfter Schalter (26) zur Einfü­ gung eines Gleichstromstellers (25) als strombegrenzende Anordnung zwischen Einankerumformer (13) und Akkumulator (16) vorgesehen ist.

7. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erregerwicklung (17) des Einanker­ umformers (13) mit einer vom Akkumulator (16) gespeisten Regeleinrichtung (19) verbindbar ist.

8. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erregerwicklung (17) des Einanker­ umformers (13) über einen einstellbaren Vorwiderstand (22) mit dem Akkumulator (16) verbindbar ist.

9. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Transformator (3) in Stufen schaltbar ist.