DE60310143T2 - Verfahren zur steuerung einer windturbine während einer fehlfunktion im elektrisches netz, steuerungssystem, windkraftanlage und dessen familie - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbundenen Windturbine während einer Fehlfunktion in dem elektrischen Versorgungsnetz gemäß Anspruch 1, ein Steuersystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9, eine Windturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14 und eine Familie von Windturbinen gemäß Anspruch 15.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Wie es zum Beispiel aus GB-A-2 330 256 oder US-A-5 907 192 bekannt ist, sind Windturbinen typischer Weise mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden, um elektrische Energie für Verbraucher, die entfernt von den Windturbinen angeordnet sind, zu erzeugen und zuführen zu können. Die Leistung wird über die Übertragungs- oder Verteilerleitungen des Versorgungsnetzwerks zu Privathäusern, Geschäftsbetrieben und so weiter gesendet.
  • Windturbinen und andere elektrische Leistung erzeugende Einrichtungen, die mit einem Versorgungsnetz verbunden sind, werden vor Fehlfunktionen in dem Versorgungsnetz durch Schalter zum Trennen vom Netz geschützt.
  • Eine Fehlfunktion in dem Versorgungsnetz kann z. B. sein
    • • dynamische Abweichungen oder "Spitzen", die Überspannungs- oder Überstrom-Leistungsstöße sehr kurzer Dauer sind. Die dramatischsten dynamischen Abweichungen werden durch Blitzeinschläge verursacht, aber ein Großteil wird dadurch verursacht, dass große Leistungslasten zu- und abgeschaltet werden.
    • • Abfälle oder "fast vollständiger Schwund", die unter die am Häufigsten verzeichneten Leistungsstörungen fallen und als momentaner Spannungsabfall auftreten können.
    • • Leistungsunterbrechungen, Leistungsausfall oder "Blackouts", die den vollständigen Verlust von Leistung in dem Versorgungsnetzwerk darstellen.
  • Die Schalter trennen die Windturbinen von dem Versorgungsnetz bei Detektion der Fehlfunktion. Die Fehlfunktion kann als Variation des Netzes über eine spezifische Grenze definiert sein, z. B. Spannungsabfälle über +/– 5% im Verhältnis zum Sollwert der Netzspannung.
  • Ein Problem bei der Trennung der Windturbinen vom Netz ist der Umstand, dass die Spannungsvariation durch den Verlust elektrischer Leistungserzeugung von den Windturbinengeneratoren stärker werden oder länger dauern kann. Des Weiteren benötigen die getrennten Windturbinen eine Zeitdauer, bevor sie wieder mit dem Versorgungsnetz verbunden werden können. Die Trennung der Windturbinen beeinflußt die Erzeugung von Leistung von den Windturbinen und somit deren Profitabilität.
  • Eine der Aufgaben der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein Steuersystem zum Steuern einer Windturbine während einer Fehlfunktion in einem elektrischen Versorgungsnetz ohne die oben genannten Nachteile zu erstellen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zu schaffen, die die Stärke und Stabilität des Versorgungsnetzwerks während Fehlfunktionen sowie die Profitabilität der angeschlossenen Windturbinen verbessern.
  • Die Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbundenen Windturbine während einer Fehlfunktion in dem elektrischen Versorgungsnetz, wobei das Verfahren die in Anspruch 1 definierten Schritte umfasst.
  • Dadurch ist ein Verfahren zum Steuern einer Windturbine während einer Fehlfunktion in einem elektrischen Versorgungsnetz ohne die oben genannten Nachteile geschaffen. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass es das Verfahren ermöglicht, dass die Windturbine während der Fehlfunktion angeschlossen bleibt und Leistung dem Netz zuführt, ohne dabei Komponenten in der Windturbine zu beschädigen. Die Windturbine trägt dazu bei, das Versorgungsnetz zu stabilisieren, indem sie angeschlossen bleibt und Leistung während der Fehlfunktion erzeugt, wohingegen eine anfängliche Trennung die Fehlfunktion verstärken oder verlängern kann.
  • Bei einem Aspekt der Erfindung wird die Erkennung einer Netzfehlfunktion kontinuierlich oder diskontinuierlich, z. B. jede halbe Sekunde durchgeführt. Dadurch ist es möglich, eine hohe Zuverlässigkeit bei der Erkennung sowie einen großen Durchsatz und eine kurze Antwortzeit vom Beginn der Fehlfunktion zu gewährleisten.
  • Dadurch ist es möglich, die Komponenten einer Windturbine zu überwachen, bei denen es normalerweise am Wahrscheinlichsten ist, dass sie unter hohen Temperaturen während einer Fehlfunktion leiden und somit Verringerungen der Lebensdauer konfrontiert sind, wenn die Eigenschaft nicht überwacht und gesteuert wird.
  • Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Netzfehlfunktion als Netzspannung, -strom, -frequenz und/oder -temperaturvariationen oberhalb eines ersten vordefinierten Grenzwerts detektiert. Dadurch werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung erreicht, insbesondere weil die Grenzwerte kompensiert werden können, um unterschiedlichen Anwendungen und Umgebungen zu entsprechen. Ferner können die detektierten Werte kombiniert werden, um eine deutliche Angabe einer Netzfehlfunktion zu erreichen.
  • Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Windturbine bei Temperaturen oder Netzspannung, -strom, -frequenzvariationen oberhalb eines zweiten vordefinierten Grenzwerts getrennt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Windturbinenkomponenten nicht durch schwere oder lang andauernde Fehlfunktionen in dem Versorgungsnetz beschädigt werden. Ferner wird gewährleistet, dass die Windturbine nicht mit dem Netz verbunden bleibt, wenn die Verbindung bedeutungslos ist, z. B. bei vollständigen Blackouts.
  • Bei einem Aspekt der Erfindung wird die Schrägstellung der einen oder mehrereren Windturbinenblättern gesteuert, um die wenigstens eine physikalische Arbeitseigenschaft unter wenigstens einem vorbestimmten Grenzwert während einer Zeitdauer der Fehlfunktion zu halten.
  • Bei einem Aspekt der Erfindung wird die Schrägstellung kontinuierlich während der Fehlfunktion oder in einem oder mehreren Schritten, wie zum Beispiel ein verzögerungsfreier Schritt am Beginn der Fehlfunktion, gesteuert. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die in den Komponenten absorbierte Leistung und somit die innere Temperatur in den Komponenten nicht auf einen ungünstigen Pegel ansteigen kann, der z. B. die Lebensdauer der Komponenten beeinträchtigen kann.
  • Bei einem Aspekt der Erfindung wird die Schrägstellung des einen oder der mehreren Windturbinenblätter gesteuert, um die erzeugte Leistung von dem Windturbinengenerator während der Fehlfunktion abzusenken, z. B. von 100 auf 30% der Nennleistungserzeugung. Dadurch ist es möglich, ein einfaches Steuerverfahren aufzubauen, bei dem die Schrägstellung auf einen vorab definierten Wert am Beginn der Fehlfunktion verringert wird. Mit der Verringerung wird gewährleistet, dass die Windturbine für einen längeren Zeitraum, in dem die Fehlfunktion wieder verschwinden kann, mit dem Netz verbunden bleiben kann. Wenn die Fehlfunktion andauert oder die Temperatur beginnt, bedeutsam anzusteigen, kann die Windturbine entweder getrennt oder kann die Schrägstellung verringert werden, was ferner zu einer noch niedrigereren Leistungserzeugung führt.
  • Bei einem Aspekt der Erfindung wird die optimale Schrägstellung wieder eingenommen, nachdem festgestellt wurde, dass die Fehlfunktion beendet ist. Dadurch wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erreicht, insbesondere weil die Leistungserzeugung schnell aufgenommen und somit die Profitabiliät der Windturbine gewährleistet.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Steuersystem, bei dem das System die Merkmale von Anspruch 9 umfasst.
  • Dadurch ist ein Steuersystem zum Steuern einer Windturbine während einer Fehlfunktion in einem elektrischen Versorgungsnetz ohne die oben genannten Nachteile bereit gestellt.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Windturbine, bei der die Windturbine die Merkmale von Anspruch 14 umfasst.
  • Dadurch wird eine vorteilhafte Windturbine bereitgestellt, die mit einem Versorgungsnetz während einer Fehlfunktion in dem Netz verbunden bleiben kann.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Familie von Windturbinen, wie z. B. ein oder mehrere Parks von Windturbinen, die mit einem Versorgungsnetz verbunden sind und diesem elektrische Energie zuführen, wobei die Familie die Merkmale von Anspruch 15 umfasst.
  • Weil Leistungsschwankungen aufgrund von Versorgungsnetzschaltvorgängen ein großes Problem mit erhöhter Stromversorgungsderegulierung und weniger Zusammenarbeit von Energieversorgungsunternehmen sind, ist es vorteilhaft, in der Lage zu sein, Parks von Windturbinen zentral zu steuern und insbesondere zu gewährleisten, dass die Parks während Fehlfunktionen nicht unnötig getrennt werden. Weniger Änderungen während Fehlfunktionen macht es auch einfacher, die Stabilität des Versorgungsnetzes ausgehend von einer zentralen Stelle zu steuern.
  • Figuren
  • Die Erfindung wird nun im Folgenden mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, in denen
  • 1 eine große moderne Windturbine veranschaulicht,
  • 2 die Verbindung für eine Windturbine mit einem Versorgungsnetz veranschaulicht,
  • 3 ein Beispiel einer Spannungs- und Stromentwicklung bei einer Windturbine veranschaulicht, die mit einem Versorgungsnetz mit einer Fehlfunktion verbunden ist,
  • 4 eine Windturbine mit einem Steuersystem in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung veranschaulicht,
  • 5 schematisch die unterschiedlichen Komponenten einer Windturbine und ein Steuersystem gemäß der Erfindung veranschaulicht,
  • 6 das Steuersystem gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer Windturbine mit einem zweifach gespeisten elektrischen Generator veranschaulicht,
  • 7a bis 7d Beispiele der Temperatur- und Leistungserzeugung einer Windturbine beim Ändern der Schrägstellung in Verbindung mit einer Fehlfunktion eines Versorgungsnetzes veranschaulichen,
  • 8 ein detaillierteres Beispiel einer Temperaturmessung und -steuerung bei einem elektrischen Generator veranschaulicht,
  • 9 ein detaillierteres Beispiel einer Temperaturmessung in einem Frequenzwandler veranschaulicht,
  • 10a und 10b ein Verfahren gemäß der Erfindung zum Steuern einer Windturbine, die mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden ist, während einer Fehlfunktion in dem Netz veranschaulichen, und
  • 11 eine Familie von Windturbinen veranschaulicht, die mit einem Versorgungsnetz verbunden sind.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 veranschaulicht eine moderne Windturbine 1 mit einem Turm und einer Windturbinengondel 3, die an der Oberseite des Turms angeordnet ist. Der Windturbinenrotor 5, der drei Windturbinenblätter umfasst, ist über die Welle für niedrige Drehzahlen, die sich aus der Gondelvorderseite erstreckt, mit der Gondel verbunden.
  • Wie in der Figur veranschaulicht, betätigt Wind über einem bestimmten Niveau den Rotor aufgrund des auf die Blätter bewirkten Auftriebs und ermöglicht es ihm, sich in Richtung senkrecht zu dem Wind zu drehen. Die Drehbewegung wird in elektrische Leistung umgewandelt, die dem Versorgungsnetz zugeführt wird.
  • 2 veranschaulicht die Verbindung für eine Windturbine mit einem Versorgungsnetz, um Verbrauchern elektrische Energie zuzuführen.
  • Die Windturbine 1 umfasst den Windturbinenrotor 5, bei dem der Winkel jedes Blatts gesteuert wird, um eine bevorzugte Leistungserzeugung bei normaler Verwendung zu erreichen. Der Rotor ist mit dem elektrischen Generator 7 über die durch die Getriebeeinrichtung 6 getrennte Welle für niedrige und hohe Drehzahl verbunden. Die erzeugte elektrische Leistung wird zu einem Dreiphasentransformator 12 über drei Phasen übertragen, die Impedanzen 8 mit einem Wert Z umfassen. Der Transformator 12 gewährleistet, dass die erzeugte Spannung stufenweise auf die Netzspannung erhöht wird, wie z. B. ausgehend von einer erzeugten Spannung von einigen Hundert Volt Wechselstrom bis zu den Tausenden von Volt Gleichstrom des Versorgungsnetzes 13.
  • Die Figur veranschaulicht ferner, dass eine Fehlfunktion 14 irgendwo in dem Versorgungsnetz aufgetreten ist, z. B. in Form eines bedeutsamen Spannungsabfalls. Die Fehlfunktion führt zu einem Spannungsabfall an der Windturbine und somit auch zu einem ansteigenden Strom von der Windturbine, wenn die Leistungserzeugung beibehalten wird. Um die Windturbine vor Netzfehlfunktionen zu schützen, wird die Turbine üblicher Weise durch Trennschalter 10 von dem Versorgungsnetz getrennt. Die Trennschalter 10 werden durch ein Detektionssystem 11 gesteuert, das Spannungs- oder Stromänderungen in dem Versorgungsnetz an der Windturbine detektiert. Im Fall einer Fehlfunktion, die zu einer Spannungs- oder Stromänderung oberhalb eines Grenzwerts führt, werden die drei Phasen von den Schaltern geöffnet und die Windturbine wird damit von dem Versorgungsnetz getrennt.
  • Bei der Trennung der Windturbine vom Netz kann die erzeugte Leistung über die drei Impedanzen 8 durch Schalter 9 kurz geschlossen werden, die pro Phase zwei antiparallele Thyristoren umfassen. Die Leistungserzeugung der Windturbine wird bei der Trennung vom Netz schnell beendet, indem die Blätter aus dem Wind gestellt werden und die Windturbine gestoppt wird.
  • Nachdem das Detektionssystem 11 detektiert hat, dass die Situation des Versorgungsnetzes wiederum normal ist, kann die Windturbine erneut gestartet werden, indem die mechanischen Bremsen gelöst und die Blätter wiederum in den Wind gestellt werden.
  • 3 zeigt ein Beispiel einer Spannungs- und Stromentwicklung an einer Windturbine, die mit einem Versorgungsnetz mit einer Fehlfunktion verbunden ist.
  • Die Netzspannung hat einen Sollspannungswert von U, kann aber unter normalen Bedingungen variieren (an oder in der Nähe der Windturbine) mit einem Prozentwert +/– Δ% von U ohne eine Trennung der Windturbine als Folge.
  • In der Figur ist veranschaulicht, wie der Wert der Netzspannung plötzlich abzufallen beginnt und bei tmal das Detektionssystem 11 detektiert, dass die Spannung unter den Grenzwert abgefallen ist, der dem Wert – Δ% von U entspricht.
  • Während des Spannungsabfalls steigt der von der Windturbine gelieferte Strom I aufgrund des Umstandes, dass die Windturbine die gleiche Menge an Leistung P (= U·I ⇒ I = P/U ⇒ fallendes U bei konstantem P führt zu ansteigendem I) erzeugt. Der Strom I steigt an, bis die Spannung unter den Grenzwert abfällt und die Windturbine getrennt wird. Danach fällt der Strom I auf Null ab, nachdem die Windturbine gestoppt worden ist und der letzte Strom in den Impedanzen Z verbraucht ist.
  • Eine Fehlfunktion kann kürzer oder länger dauern, wird aber üblicher Weise in wenigen Sekunden gemessen. Ferner kann die Bedeutung einer Fehlfunktion variieren, z. B. von einem vollständigen Netz-Blackout bis zu kleineren Spannungsabfällen oder -spitzen.
  • 4 veranschaulicht eine Windturbine 1 mit einem Steuersystem 16 bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
  • Das Steuersystem ist mit den unterschiedlichen Komponenten der Windturbine, wie z. B. der Windturbinenrotor und die Schrägstellungssteuerung der Rotorblätter, die Getriebeeinrichtung, der Generator, ein Frequenzwandler, der Transformator und die Trennschalter, verbunden. Das Steuersystem detektiert eine oder mehrere physikalische Arbeitseigenschaften von wenigstens einer Komponente der Windturbine in der Zeitdauer einer Fehlfunktion des Versorgungsnetzes, um die Trennung zu vermeiden oder zu verzögern, indem die Windturbinenkomponenten, wie z. B. der Schrägstellungswinkel der Rotorblätter, gesteuert wird.
  • Das Steuersystem ermöglicht es, die Leistungserzeugung der Windturbine in Verbindung mit einer Fehlfunktion zu steuern, während die physikalischen Arbeitseigenschaften von wenigstens einer Komponente der Windturbine beobachtet werden. Wenn die Fehlfunktion detektiert ist, steuert das Steuersystem den Pegel der Leistungserzeugung, bis die Fehlfunktion verschwindet oder wenigstens eine der physikalischen Arbeitseigenschaften über eine vorab definierte Grenze ansteigt. Wenn eine physikalische Arbeitseigenschaft die Grenze überschreitet, wird die Windturbine von dem Versorgungsnetz getrennt und die Windturbine wird gestoppt. Das Steuersystem kann das normale Steuersystem für die Windturbine, das weitere Funktionalitäten umfasst und während Fehlfunktionen auf andere Weise verwendet wird, oder ein separates Steuersystem sein, das während Fehlfunktionen von dem normalen Steuersystem übernimmt.
  • Weil die Fehlfunktion des Versorgungsnetzes einen höheren Strom I von dem Windturbinengenerator verursachen kann, ist es im Speziellen wichtig, die Temperatur der Komponenten zu detektieren. Die Temperatur wird aufgrund dem mehr an von den Komponenten absorbierter Leistung beginnen, anzusteigen (Pcomp = Imal 2· Rcomp ⇒ höherer I = mehr Leistung wird in den Komponenten absorbiert). Die Temperatur in einer oder mehreren der Windturbinenkomponenten ist ein Beispiel einer physikalischen Arbeitseigenschaft. Ferner können der Strom oder die Netzspannung als Beispiele einer physikalischen Arbeitseigenschaft verwendet werden – allein oder in Verbindung mit der Temperatur der Komponenten.
  • Die Detektion einer Netzfehlfunktion kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, z. B. jede halbe Sekunde, durchgeführt werden.
  • Ferner kann die Fehlfunktion indirekt detektiert werden, indem die Temperatur in einer oder mehreren der Windturbinenkomponenten gemessen und angenommen wird, dass eine über eine Grenze ansteigende Temperatur das Ergebnis einer Fehlfunktion in dem Versorgungsnetz ist.
  • 5 veranschaulicht schematisch die Verbindung der unterschiedlichen Komponenten der Windturbine 1 und eines Steuersystems 16.
  • Der Abschnitt innerhalb der kleineren gepunkteten Linie zeigt unterschiedliche Komponenten der Windturbine, die während einer Fehlfunktion Gegenstand einer Detektion von physikalischen Arbeitseigenschaften sein können. Einige der Komponenten sind Teil des elektrischen Erzeugungssystems der Windturbine, wie z. B. der elektrische Generator, der Transformator und die Generatorsteuerschaltkreise. Die Generatorsteuerschaltkreise können ein oder mehrere Frequenzwandler sein, die die Frequenz der erzeugten Leistung an die Netzfrequenz anpassen. Die übrigen der Komponenten sind Teil des mechanischen Systems, wie z. B. die Getriebeeinrichtung.
  • Die elektrischen Komponenten weisen alle einen elektrischen Widerstand auf, in dem mit einem Temperaturanstieg als Folge die Leistung absorbiert wird. Die elektrischen Komponenten umfassen unterschiedliche Kühleinrichtungen, wie z. B. Kühlrippen, Ventilatoren und Einrichtungen, um Wasser als Kühlmedium durch die Komponenten zu zirkulieren, um die Temperatur der Komponente zu steuern.
  • Die Temperatur kann in den Komponenten als unmittelbare Messung in der Komponente, z. B. Temperatursensoren an kritischen Stellen, oder als indirekte Messung gemessen werden, z. B. in dem Kühlmedium, nachdem es durch die Komponente geflossen ist. Andere physikalische Arbeitseigenschaften können mit dem erforderlichen Sensor, z. B. Spannungs- oder Stromsensoren, gemessen werden.
  • Die gemessenen Werte für die physikalischen Arbeitseigenschaften werden über Verbindungen 23a zusammen mit Werten für das Versorgungsnetz, wie z. B. gelieferter Strom und Netzspannung, zu dem Steuersystem übertragen. Das Steuersystem kann die Werte auf unterschiedliche Arten verarbeiten, um Signale zu erzeugen, um die Leistungserzeugung der Windturbine während der Fehlfunktion zu steuern. Der Vorgang kann einfach einen Vergleich zwischen den Werten und vorab definierten Grenzwerten umfassen, bei dem die Grenzen den Übergang von einem sicheren Betrieb zu einem Betrieb angeben, der die Lebensdauer der in Frage stehenden Komponente beeinträchtigen kann, wobei dadurch angegeben wird, dass eine Trennung der Windturbine von dem Versorgungsnetz angemessen ist.
  • Der Vorgang kann auch eine Anzahl von dazwischen liegenden Grenzen umfassen, die jeweils einen weniger sichereren Betrieb angeben, bis die Grenze eines schädlichen Betriebs erreicht ist. Jede Grenzüberschreitung kann zu einem Steuersignal führen, das die Leistungserzeugung der Windturbine während der Fehlfunktion steuert, z. B. einen sukzessive Verringerung der Leistungserzeugung, während die Temperatur in einer Komponente weiter ansteigt.
  • Ferner kann der Vorgang unterschiedliche mathematische Formeln verwenden, um z. B. die Anstiegsrate einer physikalischen Arbeitseigenschaft zu ermitteln. Wenn die Rate zu groß wird, kann das Steuersystem darauf ansprechen, auch wenn keine Grenze überschritten worden ist.
  • 6 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform des Steuersystems 16 in Verbindung mit einer Windturbine, die einen zweiseitig gespeisten elektrischen asynchronen Generator 7 umfasst.
  • Der Generator umfasst einen Stator 7a, der über den Dreiphasentransformator 12 mit dem Versorgungsnetz verbunden ist. Der Rotor 7b des Generators wird mechanisch von dem Rotor 5 über die Welle für niedrige Drehzahl, die Getriebeeinrichtung 6 und die Welle für hohe Drehzahl angetrieben. Ferner ist der Rotor elektrisch mit Generatorsteuerschaltkreisen, wie z. B. ein Frequenzwandler 17, verbunden. Der Frequenzwandler umfasst einen Gleichrichter, um die Wechselstromspannung des Generators in eine Gleichstromspannung gleich zu richten, eine Gleichstromverbindung, um die Gleichstromspannung zu glätten, und einen Inverter, um die Gleichstromspannung wieder in eine Wechselstromspannung mit einer bevorzugten Frequenz zu ändern. Die resultierende Wechselstromspannung mit der bevorzugten Frequenz wird über den Transformator zu dem Versorgungsnetz übertragen.
  • Die Trennschalter und die Schrägstellung der Rotorblätter werden von dem Steuersystem gemäß der Erfindung auf der Grundlage der gemessenen Spannungs-, Strom- und/oder Temperaturwerte
    Figure 00140001
    gesteuert. Die Figur veranschaulicht, wie die Temperaturwerte in unterschiedlichen Komponenten, wie z. B. der Rotor oder Stator des elektrischen Generators, der Transformator, die Generatorsteuerschaltkreise und die Getriebeeinrichtung, z. B. in dem Getriebeöl, gemessen werden können.
  • 7a bis 7d veranschaulichen Beispiele von Kurven der Temperatur und Leistungserzeugung einer Windturbine beim Ändern der Schrägstellung in Verbindung mit einer Fehlfunktion eines Versorgungsnetzwerkes.
  • 7a veranschaulicht ein Beispiel der Temperaturentwicklung einer Windturbinenkomponente und der Leistungserzeugung während der Verbindung mit dem Versorgungsnetzwerk bei normale Funktionalität sowie Fehlfunktion in dem Netz.
  • Die Temperaturkurve ist während normaler Funktionalität des Versorgungsnetzes als horizontal dargestellt. Zum Zeitpunkt einer Fehlfunktion beginnt die Temperatur jedoch aufgrund der abfallenden Netzspannung und des ansteigenden Stroms anzusteigen, während die Leistungserzeugung von dem Generator der Windturbine konstant gehalten wird.
  • Nach dem Beginn der Fehlfunktion kann der Schrägstellungswinkel der Rotorblätter geändert werden, wobei dadurch die Leistungserzeugung abgesenkt wird, wie in 7b veranschaulicht, um den Temperaturanstieg zu steuern. Dies ist als die Temperaturkurve veranschaulicht, die sich auf einem höheren Niveau, aber unterhalb einer Grenze Tmax (die mit einer gestrichelten Linie die höchste akzeptable Temperatur in der Komponente angibt) stabilisiert.
  • 7b veranschaulicht die Kurven der Leistungserzeugung und des Schrägstellungswinkels α, die der Temperaturentwicklung in der Komponente, wie in 7a veranschaulicht, entsprechen.
  • Die Schrägstellungskurve veranschaulicht nur die Schrägstellung, die ausgehend von einem optimalen Wert während normaler Leistungserzeugung einmal auf einen niedrigeren Wert verringert wird, um die Temperatur einer Windturbinenkomponente, wie z. B. Temperatur des Generators, zu stabilisieren.
  • Die Schrägstellung kann ausgehend von dem optimalen Wert momentan auf einen niedrigereren Wert verringert werden, z. B. ausgehend von einem Wert, der zu 100% Generatorproduktion führt, auf 30%, wobei nachfolgend eine Trennung erfolgt, wenn zu hohe Temperaturen auftreten. Ferner kann der Schrägstellungswert in kleineren Schritten oder kontinuierlich verringert werden, z. B. in Antwort auf eine detektierte Temperatur, die in einer Komponente ansteigt, bis sich die Temperatur stabilisiert oder der Wert der Schrägstellung eine untere Grenze erreicht, bei der die Windturbine von dem Netz getrennt wird.
  • 7c veranschaulicht die Leistungskurve als im Wesentlichen horizontal während der normalen Situation, aber es sollte nachvollzogen werden, dass sich die Erzeugung ändern kann, z. B. in Verbindung mit Änderungen der Windgeschwindigkeit und des Netzbedarfs.
  • Zu dem Zeitpunkt tmal tritt in dem Versorgungsnetz eine Fehlfunktion auf, z. B. ein Abfall der Netzspannung unter die vorab definierten Grenzen in dem Steuersystem der Windturbine. Das Steuersystem detektiert die Werte einer physikalischen Arbeitseigenschaft und beginnt in Antwort darauf, den Schrägstellungswinkel der Rotorblätter zu ändern, um die Leistungserzeugung der Windturbine zu verringern (durch die leicht abfallende Kurve veranschaulicht). Nach einer Zeitdauer überschreiten die Werte eine Grenze und das Steuersystem trennt die Windturbine von dem Netz. Bei der Trennung wird die Leistungserzeugung der Windturbine beendet, wie durch die im Wesentlichen vertikale Kurve angegeben. Die Leistungserzeugung bleibt unterbrochen, bis die Fehlfunktion vom Versorgungsnetz beseitigt ist und die Windturbine erneut mit dem Versorgungsnetz verbunden werden kann.
  • 7d veranschaulicht ein weiteres Beispiel, bei dem die Leistungserzeugung während der Fehlfunktion auf einem niedrigereren Niveau gehalten wird, bei dem die Werte detektiert und mit der Grenze verglichen werden. Nach Beseitigung der Fehlfunktion wird die Leistungserzeugung erneut auf ihr volles Niveau zurück gebracht.
  • Die unterschiedlichen Temperaturwerte können in einer Speichereinrichtung des Steuersystems aufgezeichnet werden, wie z. B. ein Temperaturwert, der alle 5 oder alle 30 Minuten aufgezeichnet wird. Die Werte können nachfolgend beim Ermitteln der Auswirkung auf die Lebensdauer der Windturbinenkomponente durch den Temperaturanstieg verwendet werden.
  • 8 veranschaulicht ein detailliertes Beispiel einer Temperaturmessung in einem elektrischen Generator.
  • Der asynchrone Generator umfasst wenigstens einen hohlen Stator, in dem ein Kühlmedium fließt. Das Kühlmedium wird von einem Behälter 21 mit einer Pumpeinrichtung 20 durch Rohre zu einem Einlass des hohlen Stators 19 übertragen. In dem hohlen Stator wird das Medium in Hohlräumen des Stators zirkuliert, um die inneren Flächen des Stators und indirekt den von dem Stator umgebenen Rotor zu kühlen. Das erwärmte Medium wird nachfolgend aus dem Stator zu einer äußeren Kühleinrichtung abgeführt, bevor es erneut in den Stator eintritt.
  • Temperaturmessungen können erreicht werden, indem Sensoren in dem Kühlmedium angeordnet werden, weil das den Stator verlassende Medium eine indirekte Angabe der Temperatur in dem Stator sowie dem Rotor liefert. Ferner können herkömmliche, innerhalb des Stators und Rotors angeordnete Temperatursensoren die erforderlichen Temperaturmessungen erreichen. Die Temperaturmessungen können ferner durch andere Temperaturmessverfahren erreicht werden, wie z. B. das Detektieren der Infrarotstrahlung ausgehend von unterschiedlichen Stellen des Generators.
  • 9 veranschaulicht ein detaillierteres Beispiel einer Temperaturmessung in einem Frequenzwandler.
  • Wie oben erläutert, umfasst der Frequenzwandler 17 einen Gleichrichter 17a, eine Gleichstromverbindung 17b und einen Inverter 17c, bei denen der Gleichrichter und der Inverter durch Thyristoren oder vergleichbare Halbleiterschalter bereit gestellt sind. Die Thyristoren den Gleichrichters und insbesondere des Inverters werden auf bekannte Weise gesteuert, um die bevorzugte Wechselstromspannung und Frequenz für das Versorgungsnetz herzustellen.
  • Ein Widerstand in der Gleichstromverbindung kann als Entladungslast für nach der Trennung der Windturbine erzeugte Leistung verwendet werden. Der Widerstand sowie die Thyristoren sind vorzugsweise luft- oder wassergekühlt. Durch Messen der Temperatur mit an den Thyristoren angeordneten Temperatursensoren ist es möglich, eine Angabe der Temperatur in dem Halbleitermaterial der Thyristoren zu erzeugen. Ferner ist es auch möglich, Temperatur mittelbar zu messen, indem Sensoren in dem Luft- oder Wasserfluss ausgehend von den Thyristoren angeordnet werden.
  • Die Figur veranschaulicht auch den asynchronen zweifach gespeisten Generator mit Temperaturmessungen in Rotor und Stator.
  • Die Temperaturmessungen werden in dem Steuersystem vorzugsweise hinsichtlich Folgen sehr hoher oder niedriger Umgebungstemperatur kompensiert.
  • 10a und 10b veranschaulichen ein beispielhaftes Verfahren, das kein Teil der Erfindung, eine mit einem elektrischen Versorgungsnetzwerk verbundene Windturbine während einer Fehlfunktion in dem Netz zu steuern.
  • Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • • Verbinden einer Windturbine mit dem Versorgungsnetzwerk und Steuern der Leistungserzeugung mit einem Steuersystem.
    • • Detektieren der Netzzustände mit dem Steuersystem, wie z. B. die Netzspannung bei Anschluss der Windturbine.
    • • Vergleichen der Werte mit einem ersten vorab definierten Grenzwert, um die Fehlfunktion, z. B. ein Spannungsabfall von mehr als +/– 5 Prozent, zu ermitteln. Wenn die Werte unter dem Grenzwert liegen, wird die Windturbine in normaler Weise betrieben.
    • • Vergleichen der detektierten Fehlfunktionswerte mit den zweiten vorab definierten Grenzwerten, um die Bedeutung der Fehlfunktion zu ermitteln, z. B. ein vollständiger Blackout des Netzes, der eine unmittelbare Trennung der Windturbine von dem Netz fordert.
    • • Detektieren unterschiedlicher Temperaturen der Komponenten in der Windturbine.
    • • Absenken der Leistungserzeugung der Windturbine, indem die Schrägstellung der Rotorblätter als Folge der Temperaturmessungen geändert wird.
    • • Vergleichen der Temperatur mit vorab definierten Grenzwerten für die Temperatur in den Komponenten. Die Leistungserzeugung wird auf dem niedrigereren Niveau während der Fehlfunktion gehalten, bis die Temperatur zu stark ansteigt, wobei die Schrägstellung erneut geändert wird, um die Leistungserzeugung weiter abzusenken. Die Windturbine kann durch das Steuersystem von dem Netz getrennt werden, wenn die Temperaturdetektion angibt, dass die Temperaturentwicklung nahe einem schädlichen Niveau ist.
  • 11 veranschaulicht eine Familie von Windturbinen, die ein Offshore- oder Onshore-Park von Windturbinen mit einer gemeinsamen Verbindung 24 mit dem Versorgungsnetz 13 sein können. Die Verbindung umfasst Schalter 10, um den Park mit dem Netz zu verbinden oder von diesem zu trennen, wobei die Schalter durch ein zentrales Steuersystem 16 während einer Fehlfunktion in dem Netz gesteuert werden. Das Steuersystem wird mit detektierten Werten von physikalischen Arbeitseigenschaften in unterschiedlichen Komponenten in jeder der Windturbinen versorgt, z. B. die Temperatur der Komponenten und der Strom, der von der Windturbine geliefert wird. Die Werte werden beim Steuern der Leistungserzeugung der Windturbinen verwendet, indem der Schrägstellungswinkel der Rotorblätter bei den relevanten Windturbinen geändert wird und/oder indem eine oder mehrere der Windturbinen in dem Park getrennt wird bzw. werden. Indem ein zentrales Steuersystem beim Detektieren relevanter Werte physikalischer Arbeitseigenschaften verwendet wird und die Leistungserzeugung der Windturbinen des Parks geändert wird, ist es möglich, den Park bei einer Fehlfunktionssituation mit dem Versorgungsnetz verbunden zu lassen.
  • Die Erfindung ist oben mit Bezug auf spezielle Beispiele erläutert worden. Es sollte jedoch verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen speziellen Beispiele beschränkt ist, sondern in Verbindung mit einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann, wie zum Beispiel unterschiedliche Windturbinentypen, bei denen die Rotorblätter gesteuert werden können, z. B. Typen mit Schrägstellung oder aktivem Strömungsabriss. Ferner sollte es verständlich sein, dass insbesondere das Steuersystem gemäß der Erfindung in einer Vielzahl von verschiedenen Arten im Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen spezifiziert, ausgelegt werden kann. Insbesondere können die detektierten physikalischen Arbeitseigenschaften an jeder bevorzugten Stelle der Komponente mittels jedes möglichen Messverfahren und -einrichtung gemessen werden.
    • 1 Windturbine
    • 2 Windturbinenturm
    • 3 Windturbinengondel
    • 4 Windturbinennabe
    • 5 Windturbinenrotorblätter
    • 6 Getriebeeinrichtung
    • 7, 7a, 7b elektrischer Generator, Stator, Rotor
    • 8 Impedanz zwischen Generator und Transformator
    • 9 Thyristorschalter zum Kurzschließen der genannten Impedanzen
    • 10 Netztrennschalter
    • 11 Detektionssystem für die Trennschalter
    • 12 elektrischer Transformator
    • 13 Versorgungsnetz
    • 14 Netzfehlfunktion, z. B. Kurzschluss
    • 15 Schrägstellungssteuerung der genannten Rotor blätter
    • 16 Steuersystem für eine Windturbine
    • 17, 17a–17b Frequenzwandler, Gleichrichter, dazwischen liegende Gleichstromverbindung, Inverter
    • 18 Kühlkanäle
    • 19 Einlass einer Kühleinrichtung
    • 20 Pumpe für Kühleinrichtung
    • 21 Behälter für Kühleinrichtung
    • 22 Familie von Windturbinen, wie z. B. ein Offshore-Park von Windturbinen
    • 23, 23a Verbindungen für detektierte Signale
    • 23b Verbindungen für Steuersignale
    • 24 Hauptverbindung
    • P, U, I, Z Leistung, Spannung, Strom, Impedanz
    • α Schrägstellungswinkel
    • Δ Delta-Wert
    • t Zeit
    • T Temperatur
    • Figure 00220001
      (= X). Temperaturmessung in Komponenten der Windturbine
  • Figurenlegende
  • 2
    • – Pitch control – Schrägstellungssteuerung
  • 3
    • – Unet – Unetz
    • – Inet – Inetz
    • – Time – Zeit
  • 5
    • – Utility Grid – Versorgungsnetz
    • – Transformer – Transformator
    • – Generator – Generator
    • – Generator Control Circuits – Gleichstromsteuerschaltkreise
    • – Gearing Means – Getriebeeinrichtung
    • – Control System – Steuersystem
    • – Grid Disconnection Switches – Netztrennschalter
    • – Pitch Regulating System – Schrägstellungsregelsystem
    • – Normal Regulating System – normales Regelsystem
  • 6
    • – Control System – Steuersystem
  • 7a
    • – Temperature – Temperatur
    • – Time – Zeit
  • 7b
    • – Pnet – Pnetz
    • – Pitch – Schrägstellung
    • – Time – Zeit
  • 7c und 7d
    • Pnet – Pnetz
    • – Time – Zeit
  • 10a
    • – Start – Beginn
    • – Utility grid connected wind turbine – mit Versorgungsnetz verbundene Windturbine
    • – Detect utility grid conditions – detektiere Versorgungsnetzzustände
    • – Utility grid malfunction above first limits? – Versorgungsnetzfehlfunktion über ersten Grenzen?
    • – Malfunction above second limits? – Fehlfunktion über zweiten Grenzen?
    • – Change the pitch of the rotor blades – Ändere Schrägstellung der Rotorblätter
    • – Operate the wind turbine normally – Betreibe die Windturbine normal
    • – Disconnect the wind turbine from the utility grid – Trenne die Windturbine von dem Versorgungsnetz
    • – No – Nein
    • – Yes – Ja
  • 10b
    • – Continue – Fortsetzung
    • – Detect temperatures in components of the wind turbine – Detektiere Temperaturen in Komponenten der Windturbine
    • – Temperature above limits? – Temperatur über Grenzen?
    • – Disconnet the wind turbine from the utility grid – Trenne die Windturbine von dem Versorgungsnetz
    • – No – Nein
    • – Yes – Ja
  • 11
    • – Control system – Seuersystem
    • – Utility grid – Versorgungsnetz

Claims (15)

  1. Verfahren zum Steuern einer mit einem elektrischen Versorgungsnetz (13) verbundenen Windturbine (1) während einer Fehlfunktion in dem elektrischen Versorgungsnetz, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Detektieren einer Fehlfunktion (14) in dem elektrischen Versorgungsnetz (13), Überwachen der Temperatur in dem Stator und/oder Rotor (7a, 7b) des Generators (7), der Halbleiter des elektrischen Steuersystems (17), des Transformators (12) und/oder der Getriebeeinrichtung (6) der Windturbine (1), Vergleichen der Temperatur mit wenigstens einem vorbestimmten Grenzwert, und Steuern von einem oder mehreren Windturbinenblättern (5) der Windturbine (1), um die Temperatur unter dem wenigstens einem vordefinierten Grenzwert während einer Zeitdauer der Fehlfunktion zu halten.
  2. Verfahren zum Steuern einer Windturbine nach Anspruch 1, wobei die Detektion einer Netzfehlfunktion kontinuierlich oder diskontinuierlich, z. B. jede halbe Sekunde, durchgeführt wird.
  3. Verfahren zum Steuern einer Windturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Netzfehlfunktion als Netzspannung, -strom, -frequenz und/oder -temperaturvariationen oberhalb eines ersten vordefinierten Grenzwerts detektiert wird.
  4. Verfahren zum Steuern einer Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Windturbine von dem Versorgungsnetz bei Temperaturen oder Netzspannung, -strom, -frequenzvariationen oberhalb eines zweiten vordefinierten Grenzwerts getrennt wird.
  5. Verfahren zum Steuern einer Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schrägstellung des einen oder der mehreren Windturbinenblättern gesteuert wird, um die Temperatur unter wenigstens einem vordefinierten Grenzwert während einer Zeitdauer der Fehlfunktion zu halten.
  6. Verfahren zum Steuern einer Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schrägstellung kontinuierlich während der Fehlfunktion oder in einem oder mehreren Schritten, wie zum Beispiel ein verzögerungsfreier Schritt am Beginn der Fehlfunktion, gesteuert wird.
  7. Verfahren zum Steuern einer Windturbine nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Schrägstellung des einen oder der mehreren Windturbinenblätter gesteuert wird, um die erzeugte Leistung von dem Windturbinengenerator während der Fehlfunktion abzusenken, z. B. von 100 auf 30% der Nennleistungserzeugung.
  8. Verfahren zum Steuern einer Windturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optimale Schrägstellung wieder eingenommen wird, nachdem festgestellt wurde, dass die Fehlfunktion beendet ist.
  9. Steuersystem (16) für eine Windturbine (1), die mit einem Versorgungsnetz (13) verbunden ist und diesem elektrische Energie zuführt, wobei das System umfasst: eine Einrichtung (11) zum Detektieren einer Fehlfunktion in dem elektrischen Versorgungsnetz, und eine Einrichtung zum Überwachen der Temperatur in dem Stator und/oder Rotor (7a, 7b) des Generators (7), der Halbleiter des elektrischen Steuersystems (17), des Transformators (12) und/oder der Getriebeeinrichtung (6) der Windturbine (1), dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner umfasst: eine Einrichtung zum Vergleichen der Temperatur mit wenigstens einem vordefinierten Grenzwert, und eine Einrichtung (15) zum Steuern von einem oder mehreren Windturbinenblättern (5) der Windturbine (1) während einer Zeitdauer der Fehlfunktion, wobei das eine oder die mehreren Windturbinenblätter (5) in Antwort auf den Vergleich gesteuert werden, um die Temperatur unter dem wenigstens einen vordefinierten Grenzwert zu halten.
  10. Steuersystem für eine Windturbine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Detektieren einer Fehlfunktion eine Einrichtung ist, um die Netzspannung, -strom, -frequenz und/oder -temperaturvariationen zu detektieren.
  11. Steuersystem für eine Windturbine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Detektieren einer Fehlfunktion für Vergleichszwecke vordefinierte minimale und maximale Grenzwerte für die Spannung, den Strom, Frequenzwerte und/oder Temperatur umfasst.
  12. Steuersystem für eine Windturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Detektieren einer Fehlfunktion Fehlfunktionswerte kontinuierlich oder diskontinuierlich detektiert.
  13. Steuersystem für eine Windturbine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Speichereinrichtung für wenigstens einen vordefinierten Grenzwert umfasst, wie zum Beispiel Grenzwerte für Fehlfunktionszeit, Temperatur, Spannung, Strom und/oder Frequenzvariationen.
  14. Windturbine (1), die mit einem Versorgungsnetz (13) verbunden ist und diesem elektrische Energie zuführt, wobei die Turbine umfasst: eine Anzahl von Komponenten, wie zum Beispiel einen oder mehrere Generatoren (7, 7a, 7b), elektrische Steuersysteme (17, 17a, 17b), Transformatoren (12) und/oder eine Getriebeeinrichtung (6) sowie steuerbare Rotorblätter (5), eine Einrichtung (11) zum Detektieren einer Fehlfunktion in dem elektrischen Versorgungsnetz, und eine Einrichtung zum Überwachen der Temperatur von wenigstens einer der Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Windturbine ferner umfasst: ein Steuersystem (16) zum Vergleich der Temperatur und wenigstens eines vordefinierten Grenzwerts, und eine Einrichtung (15) zum Steuern von einem oder mehreren Windturbinenblättern (5) während einer Zeitdauer der Fehlfunktion, um die Temperatur unter dem wenigstens einen vordefinierten Grenzwert zu halten.
  15. Familie von Windturbinen (22), wie zum Beispiel ein oder mehrere Parks von Windturbinen, die mit einem Versorgungsnetz (13) verbunden sind und diesem elektrische Energie zuführen, wobei die Familie umfasst: wenigstens zwei Windturbinen (1) jeweils mit einem oder mehreren steuerbaren Rotorblättern (5), eine Einrichtung (11) zum Detektieren einer Fehlfunktion in dem elektrischen Versorgungsnetz, eine Einrichtung zum Überwachen der Temperatur von wenigstens einer Komponente der wenigstens zwei Windturbinen, ein zentrales Steuersystem (16) zum Vergleich der Temperatur und wenigstens einem vordefinierten Grenzwert, eine Einrichtung (15) zum Steuern des einen oder der mehreren Windturbinenblätter der einen oder mehrerer der wenigstens zwei Windturbinen während einer Zeitdauer der Fehlfunktion, um die Temperatur unter dem wenigstens einen vordefinierten Grenzwert zu halten.
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