DE4428086C2

DE4428086C2 - Verfahren zur Steuerung der Energieabgabe einer Windenergieanlage mit übersynchroner Stromrichterkaskade sowie Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4428086C2
Application number: DE19944428086
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Thamm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2014-08-10
Also published as: DE4428086A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Energieabgabe einer Windenergieanlage mit übersynchroner Stromrichterkaskade sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens (DE 28 45 930 C2).

Bekanntermaßen können Asynchronmaschinen als Generatoren in Windenergieanlagen bei Drehzahlen unterhalb der Synchrondrehzahl keine elektrische Energie abgeben, es sei denn, sie werden, wie in DE 28 45 930 C2 beschrieben, als doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren mit verhältnismäßig hohem steuerungstechnischem Aufwand betrieben.

Es ist weiter bekannt, durch Gleichstromeinspeisung in Drehstromwicklungen einer Asynchronmaschine ein Synchronmaschinenverhalten zu erreichen und Energie über eine gesteuerte Stromrichteranordnung, wie in DE 36 02 160 A1 beschrieben, in ein vorhandenes Netz zu übertragen, wenn die Spannung des Netzes kleiner als die des Generators ist. Unterhalb der Nenndrehzahl des Generators ist demzufolge eine gesteuerte Energieübertragung in das Netz nicht gegeben.

Bekanntermaßen rüstet man den Ständer der Asynchronmaschine mit zwei oder mehreren Drehstromwicklungen unterschiedlicher Polpaarzahl aus, um unterschiedliche Synchrondrehzahlen ausnutzen zu können, weil dadurch die Drehzahl des Windrotors stufenweise dem Windaufkommen angepaßt werden kann.

Dieses Verfahren des Betriebes der Windenergieanlage in Teillastbereichen mit stufenweise geänderter Synchrondrehzahl des Asynchrongenerators hat die Nachteile,

- daß der Ständer aufgrund des Wicklungsaufwandes sehr teuer im Vergleich zu Standardausführungen ist,
- daß die Umschaltung von einer Polpaarzahl auf eine andere (sog. Polumschaltung) über antiparallel geschaltete Thyristoren (sog. Drehstomsteller) zwischen jedem Wicklungsstrang des Asynchrongenerators und dem entsprechenden Strang des elektrischen Netzes erfolgen muß, damit der Strom während der Polumschaltung begrenzt und die einzelnen Ständerwicklungen voneinander potentialfrei betrieben werden können,
- daß die Anpassung an das Windaufkommen nur stufenweise möglich ist, und dies bei Unterbrechung der Energielieferung in das Netz,
- daß zur Vermeidung öfteren Polumschaltens bei wechselndem Windaufkommen eine zu optimierende Hysterese vorzusehen ist.

Das technische Problem der Erfindung besteht darin, den Aufwand für den Ständer und die Polumschaltung zu reduzieren und darüber hinaus den Asynchrongenerator bei beliebiger Drehzahl zwischen null und der Synchrondrehzahl stufenlos betreiben zu können und jegliche Energiestromunterbrechung vom Windrad in das elektrische Netz zu unterbinden.

Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 bis 4 aufgeführten Merkmale gelöst; im einzelnen wird die Asynchronmaschine im Betrieb bei oder unterhalb der Synchrondrehzahl betrieben, ständerseitig gleichstrom-erregt und die mechanische Energie des Windrotors über eine Läufer-Stromrichterkaskade in das elektrische Drehstromnetz gespeist, in das die Stromrichterkaskade auch bei übersynchronem Betrieb des Asynchrongenerators als bekannte sog. übersynchrone Stromrichterkaskade speisen würde.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß die läuferseitige Stromrichterkaskade unterbrechungsfrei zwischen dem elektrischen Netz und den Läuferwicklungen betrieben wird, während lediglich der Ständer von Drehstromerregung auf Gleichstromerregung umzuschalten ist.

Damit diese Umschaltung ohne Unterbrechung des Energieflusses vom Windrad in das elektrische Netz möglich wird, wird eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die gemäß Fig. 1 aus

1 Kondensator
5 Gleichrichter
6 Drehstromsteller
7 Gleichstromsteller
8 Freilaufgleichrichter

besteht.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 ist folgende:

Bei Drehstromerregung des Asynchrongenerators ist der Drehstromsteller (6) voll durchgeschaltet.

Der Übergang in den gleichstromerregten Betrieb erfolgt durch Abschalten der Ventile 6a, c, d, f des Drehstromstellers, und es bildet sich für eine Halbperiode der Netzspannung eine Gleichstromkomponente in den Strängen 2a und 2c des Drehstromnetzes und in den Ständerwicklungen 9a und 9c über die Ventile 6b und 6e des Drehstromstellers 6 aus. Im Verlauf dieser Halbperiode werden die Ventile 7a und 7b des Gleichstromstellers 7 eingeschaltet, und diese übernehmen den Gleichstrom der Ständerwicklungen 9a und 9c, während die Halbschwingungen der Netzströme in den Ventilen 6b und 6e abkommutieren.

Der Gleichstrom durch die Ständerwicklungen 9a und 9c des Asynchrongenerators wird nach Löschen aller Ventile des Drehstromstellers entsprechend den Betriebsvorgaben des Asynchrongenerators mittels der Ventile 7a und 7b des Gleichstromstellers 7 durch Pulsung gesteuert, und zwar dergestalt, daß die Ventile 7a und 7b im Wechsel den Freilaufstrom übernehmen, d. h. sie werden gemeinsam eingeschaltet, aber es wird nur jeweils ein Ventil 7a oder 7b abgeschaltet, so daß der Freilaufstrom in den Wicklungen 9a und 9c des Asynchrongenerators entweder über das Ventil 7b des Gleichstromstellers 7 und das Ventil 8d des Freilaufgleichrichters 8 fließt oder über das Ventil 7a des Gleichstromstellers 7 und das Ventil 8c des Freilaufgleichrichters 8.

Gespeist wird der Gleichstrom aus dem Gleichrichter 5 in Verbindung mit dem Kondensator 1. Bei Übergang vom gleichstromerregten Betrieb des Asynchrongenerators in den drehstromerregten Betrieb wird zunächst der Gleichstrom durch Abschalten beider Ventile 7a und 7b des Gleichstromstellers 7 über die Ventile 8c und 8d des Freilaufgleichrichters 8 und den Kondensator 1 auf den Wert abkommutiert, der bei Drehstrombetrieb in den Ständerwicklungen 9a und 9c fließen würde, und es werden in umgekehrter Reihenfolge, wie beim Übergang vom drehstromerregten in den gleichstromerregten Betrieb des Asynchrongenerators, zunächst die Ventile 6b und 6e des Drehstromstellers 6 und dann die anderen Ventile 6a, c, d, f des Drehstromstellers 6 dazugeschaltet.

Der Freilaufgleichrichter 8 wird als sechspulsige Brückenschaltung ausgeführt, um möglicherweise auftretende maschinenseitige Überspannungen auf den Kondensator 1 zu leiten, wie auch netzseitige mögliche Überspannungen über den Gleichrichter 5 auf den Kondensator 1 geleitet werden, der zum Abbau dieser Überspannungen bekanntermaßen mit einem entsprechenden hochohmigen Widerstand 10 beschaltet wird.

Die Vorteile der Schaltungsanordnung bestehen darin,

- daß sie einen für Windenergieanlagen notwendigen sowohl netz- als auch maschinenseitigen Überspannungsschutz integriert,
- daß sie einen stoßfreien Übergang von einem Erregungszustand des Asynchrongenerators in den anderen erlaubt,
- daß die Energieübertragung beim Übergang von einem Erregungszustand des Asynchrongenerators in den anderen ohne Unterbrechung, d. h. absolut kontinuierlich, in das elektrische Netz erfolgt,
- daß während des gleichstromerregten Betriebes des Asynchrongenerators das elektrische Netz symmetrisch und ohne Gleichstromkomponenten belastet wird und
- daß der Drehstromsteller 6 ggf. zur Spannungsstellung der Ständerwicklungen 9 des Asynchrongenerators und damit zur Läuferspannungsbegrenzung bei beliebigem Schlupf des Asynchrongenerators, wie beispielsweise bei Stillstand oder beim Anlauf des Windrades oder bei beliebig hoher Drehzahl über der Synchrondrehzahl, zum Schutz der Stromrichterkaskade im Läuferkreis des Asynchrongenerators eingesetzt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Energieabgabe einer Windenergie anlage mit einem Asynchrongenerator mit übersynchroner Strom richterkaskade, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betrieb des Asynchrongenerators bei oder unterhalb der Synchrondrehzahl des Asynchrongenerators ständerseitig gleichstromerregt wird, wobei die mechanische Energie des Windrotors über den läuferseitigen Stromrichter in das elektrische Netz gespeist wird, in das der Stromrichter bei übersynchronem Betrieb des Asynchrongenerators speist.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gleichrichter (5), einen Drehstromsteller (6), einen Gleichstromsteller (7) und einen Freilaufgleichrichter (8), wobei

- bei Drehstromerregung des Asynchrongenerators der Drehstromstel ler (6) voll durchgeschaltet ist,
- bei Übergang in den gleichstromerregten Betrieb bis auf zwei Ventile (6b; 6e) die Ventile (6a; 6c; 6d; 6f) des Drehstromstel lers (6) abgeschaltet und die Ventile (7a; 7b) des Gleichstrom stellers (7) eingeschaltet werden,
- der Gleichstrom durch die Ständerwicklungen (9a) und (9c) des Asynchrongenerators nach Löschen aller Ventile (6a-f) des Drehstromstellers (6) entsprechend den Betriebsvorgaben des Asynchrongenerators mittels der Ventile (7a; 7b) des Gleich stromstellers (7) durch Pulsung gesteuert wird, und zwar der gestalt, daß die Ventile (7a; 7b) des Gleichstromstellers (7) im Wechsel den Freilaufstrom übernehmen, d. h. sie werden ge meinsam eingeschaltet, aber es wird nur jeweils ein Ventil (7a; 7b) des Gleichstromstellers (7) abgeschaltet, so daß der Freilaufstrom in den Wicklungen (9a; 9c) des Asynchrongenera tors entweder über das eine Ventil (7b) des Gleichstromstel lers (7) und das eine Ventil (8d) des Freilaufgleichrichters (8) fließt oder über das andere Ventil (7a) des Gleichstrom stellers (7) und das andere Ventil (8c) des Freilaufgleich richters (8) fließt,
- der Übergang vom gleichstromerregten Betrieb des Asynchronge nerators in den drehstromerregten Betrieb zunächst durch Ab schalten der beiden Ventile (7a; 7b) des Gleichstromstellers (7) erfolgt, und daß in umgekehrter Reihenfolge, wie beim Über gang vom drehstromerregten in den gleichstromerregten Betrieb des Asynchrongenerators, zunächst zwei Ventile (6b; 6c) des Drehstromstellers (6) und dann die anderen Ventile (6a; 6c; 6d; 6f) des Drehstromstellers (6) dazugeschaltet werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Widerstand (10) und einen Kondensator (1), wobei sie einen sowohl netz- als auch maschinenseitigen Überspannungsschutz mittels des Freilaufgleichrichters (8) und des Gleichrichters (5) in Verbindung mit dem Kondensator (1) und dem Widerstand (10) darstellt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Drehstromsteller (6) mit Anschnittssteuerung bei Still stand oder beim Anlauf des Windrades oder bei beliebig hoher Drehzahl oberhalb der Synchrondrehzahl des Asynchrongenerators betrieben wird.