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Wind- und Wasserkraftstromerzeugungsanlage Es ist bekannt, für die
Erzeugung elektrischer Energie Anlagert' zu benutzen, die durch Wind oder Wasser
betrieben werden. Bei Windkraft&tromerzeugungsanlagen gehört es zum Stand der
Technik, die Windturbine mit einer Schwungmasse zu betreiben, durch deren Wirkung
Windstöße mechanisch ausgeglichen werden, also in der Artlage nicht bemerkbar sind.
Die mit der Schwungmasse erzielte Drehzahlregelung der Antriebsmaschine des zur
Anlage gehörenden elektrischen Stromerzeugers ermöglicht gegenüber den stoßweisen
Schwankungen der Windstärke die Erzeugung eines elektrischen Stromes mit weitgehend
ausgeglichener Spannung. Bei Windwechsel noch vorhandene Spannungsschwankungen,
die in gewissen Grenzen noch auf-treten, können, werden durch einen Drehtransformator
aasgeregelt. Es ist durch die Schwungmassenregelung in Verbindung mit dem Drehtransformator,
also durch eine, mechanisch-elektrische Regelung, die Erzeugung eines Drehstromes
gleicher Spannung gegeben:; dieser Drehstrom wird durch Gleichrichter in Gleichstrom
verwandelt, der als hochgespannter Gleichstrom durch Sammelschienen weitergeleitet
wird. .@n den Verbraucherstellen werden Umrichter
in den Gleichstromspeisekreis
eingeschaltet; es können so Drehstromverbraucher aus dem Gleichstromspeisetietz
der Windkraftanlage mit gleichmäßigem Drehstrom versorgt werden. An die Verwendung
eines 'Wechselstromnetzes für die Übertragung der erzeugten elektrischen Energie
ist bei der bekannten Anordnung nicht gedacht; es fehlen auch die Voraussetzungen
für die Erzielung der bei der Speisung in ein N@'echselstromnetz erforderlichen:
konstanten, dem Netz gleichen Frequenz an den Speisestellen.
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Bei einer anderen bekannten en.rindkraftanlaghe hat man durch die
Verwendung eines zusätzlichen Hilfsbelastungskreises, dessen Energieaufnahme durch
einen Strömungsmesser geregelt wird, die Möglichkeit für die Erzeugung einer konstanten
VerbraucheTspannung unabhängig von den meteorologisch bedingten Schwankungen der
Antriebsenergie geschaffen. Auch diese Anordnung eignet sich nicht für äie Speisung
von Dreh- oder fv"echselstromnetzen konstanter Fnequenz, insbesondere dann nicht,
wenn das Windkraftwerk zusammen mit anderen Kraftwerken im Verbundbetrieb Verwendung
finden: soll.
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Gegenstand der Erfindung ist eine WindoderWasserkraftstromerzeuggungsanjage,
deren Stromerzeuger von einem Windrad oder einer mit ungeregelter oder nur grob
geregelter Drehzahl angetrieben und der erzeugte Strom durch einen Wechselrichter
umgeformt wird, wobei erfindungsgemäß die Stromerzeugungsanlage über den Wechselrichter,
insbesondere einen Kontaktumformer, in ein Wechselstromnetz von konstanter Sollfrequenz
speist.
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Es ist mit der Stromerzeugungsanlage nach der Erfindung möglich, ein
Wechselstromnetz mit konstanter Sollfrequenz zu betreiben:; die Frequenz wird durch
die Benutzung des Wechselrichters rein elektrisch konstant gehalten, wodurch die
größte Gewähr für die gewünschte Fnequenzgleichheit auch ben stark schwankenden
Drehzahlen der Antriebsmaschine gegeben ist. Die Betriebsweise und der Aufbau sind
insbesondere bei der Benutzung eines Kontaktumformers als Wechselrichter sehr einfach,
und es ist die Anlage ohne besondere `Wartung zu betreiben. Der Kontaktumformer
wird durch einen Synchronmotor angetrieben, der z. B. aus dem Netz mit dessen; Frequenz
gespeist wird. Dadurch wird der von dem Wind- oder Wasserkraft,tverk mit ungeregelter
Drehzahl erzeugte Gleichstrom unabhängig von der Drehzahl des Stromerzeugers in
Dreh- oder Wechselstrom mit der Sollfrequenz des hlet7es umgeformt. Zur Spannungsgleichhaltung
des erzeugten Stromes auf der Netzspannung dient der Wechselrichter bzw. der Kontaktumformer
durch @'e!rschiebun@ (k-,s Zeitpunktes für (len f Beginn des Stromdurchlasses und
ciurcli entsprechende anclerung der- Durchlaßdautr zur 5 Angleichung cier erzeugten
Sl;atinun@ 2111 clie Netzspannung mit.
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Soll die finit ungeregelter oder nur gr«h geregelter Drehzahl betriel>2ne
Stnimerzeugungsanlage nicht im Verbundbetrieb auf ein Netz arbeiten, sondern ein
eigenes Netz speisen, so ist es möglich, für die Erzzic?tuider konstanten letzsollfrequenz
& n Antrieb des Kontaktumformers bz«-. die Stet.: t:ng des Wechselrichtmrgitters
aus einem fremden Netz zu betreiben, das die für das Eigennetz geWünschte Sollfrequenz
aufweist. Aus ein:r solchen fremden Hilfsstromquelle kann darin für den Antrieb
des Kontaktumformers der Synchronmotor gespeist werden, der durch seine synchronisierte
Steuerung der Schaltkontakte den gewünschten Wechsel- oder Drehstrom für das eigengespeiste
Netz erzeugt. Steht in den Fällen der Speisun- in ein Eigennetz eine fremde Wechselstrom-
oder Drehstromquelle für den Antrieb des Synchronmotors nicht zur Verfügung, so
kann die gewünschte Sollfrequenz unter Benutzung eines Kontaktumformers dadurch
erzeugt werden, daß aus dem Netz des Stromerzeugers ein pendelgesteuerter Hilfsmotor
betrieben wird, der durch -die Pendelsteuerung unabhängig von der wechselnden Drehzahl
des Stromerzeugers mit konstanter Drehzahl umläuft und den Kontaktumformer antreibt.
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Für die Betriebsweise der S.tromerzeugungsanIage kann es zweckmäßig
sehr, mit dem Wasserturbinen- oder Windrad einen Drehstrom- oder Wechselstromerzeuger
zu kuppeln, der ebenfalls mit ungeregelter oder nur grob geregelter Drehzahl betrieben
wird. In diesem Fall ist es für die Umformung des Wechsel- oder Drehstromes ungleicher
Frequenz in solchen Wechsel- oder Drehstrom konstanter Frequenz erforderlich. eine
doppelte Umformung vorzunehmen, und zwar derart, daß m-it der ungleichen Frequenz
des Stromerzeugers ein Kontaktumformer wiederum durch einen Synchronmotor angetrieben
wird, der in bekannter Weise den erzeugten Dreh- oder Wechselstrom durch eine periodische
Umschaltung im Nulldurchgang der Phasen in Gleichstrom umformt. Dieser Gleichstrom
wird dann durch einen mit der Sollfrequenz betriebenen UVechz_-elrichter (Kontaktumförmer)
in: Dreh- oder Wechselstrom des zu speisenden Netzes umgeformt. Auch in diesem Fall
muß selbstverständlich für eine Konstanthaltung der Spannung des erzeugten Stromes
auf der :Netzspannung Sorge getragen sein; auch hier kann bei fehlender Stromquelle
mit der Net7sollfrequenz der die Sollfrequenz erzeugende
Kontaktumformer
von einem. gleichstroniges.peisten, pendelgesteuerten Hilfsmotor :ingetrieben werden.
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'Die Zeichnung zeigt schematisch die Schaltung einer nach der Erfindung
arbeitenden Stromerzeugungsanlage als Ausführungsbeispiel. ' Die Windräder ca,
b, c treiben die Stromerzeuger d, e, f an, die ein gemeinsames Drehstromnetz
RST speisen, das im Verbundbetrieb mit anderen nicht dargestelltem Stroinerzeugungsanlagen,
z. B. Dampfkraftwerken, betrieben wird. Die Stromerzeuger d und
e
sind als Drehstrommaschinen angenommen, während der Stromerzeuger fein Gleichstromerzeuger
ist. Für die Windräder a, b, c ist eine Drehzahlregelung nicht vorgesehen,
so daß die Stromerzeuger d und e einen. Strom mit einer entsprechend. der Windraddrehzahl
schwankenden Frequenz erzeugen. Da diese ungeregelt betriebenen: Windkraftwerke
ein Drehstromnetz konstanter Sollfrequenz speisen sollen, sind in die Speiseleitungen
die Mittel eingeschaltet, die eine Umformung des erzeugten Stromes auf Strom mit
der Sollfrequenz des Netzes gewährleisten. Für die Drehstromerzeuger d, e
ist eis erforderlich, mit einem Gleichsbromhilfsstromkmeis - zu arbeiten, der dadurch
gewonnen ist, daß an die Stromerzeuger d, e je ein Kontaktumformer g, h angeschlossen
ist, der von; einem mixt der Frequenz des erzeugten: Drehstromes betriebenen Synchronmotor
i, k angetrieben wird. Der so gewonnene Gleichstrom wird zusammen mit dem Gleichstrom
aus dem Generator f durch den Kontaktumformer 1,
der, durch den Synchronmotor
m aus dem Netz RST gespeist, mit der Sollfrequenz dieses Netzes betrieben wird,
in den, das Netz RST speisenden Drehstrom umgeformt. Den Stromerzeugern
d und e sind Erregermaschinen n und o zugeordnet. Zur Angleichung
der Generatorspannung an die Spannung des zu speisendem Netzes ist in den Erregerstromkreis
des Generators d ein- Feldregler ¢ eingeschaltet, der zusammen mit dein Phasenschieber
q in der Speiseleitung des Synchronmotors i vorn der spannungsabhängig gesteuerten
Verstelleinrichtung r betrieben wird. Für die Spannungsangleichung des Generators
e an die Spannung des zu speisenden Netzes ist auf die Verwendung eines 1#eldregrlers
verzichtet; diese erfolgt allein <furch den im Speisestromkreis des Synchronmotors
k liegenden Phaselischiebar s, der ebenfalls von einer spannungsabhängigen Verstelleinrichtung
t angetrieben wird. Der Gleichstromgenerator f ist als eigenerregt angenommen; zur
Angleichung seiner Spannung an die Spannung des 1\Tetzcs RS'T ist der Feldregler
u vorgesehen, der in der gleirlien Weise wie der heldregler p durch eine \#erstclleinriclitting
" spannungsabhängig betätigt «ird. Die Verstelleinrichtungen r, t, v
sind
zur Spannungsbestimmung an den gemeinsamen Gleichstroinhilfsstromkreis angrschlossen.
Der eigentliche Verstellantrieb für die Spannungsregelung ist nicht mit dargestellt,
da dieser in an ,sich bekannter Weise mit den bekannten Mitteln erfolgen kann.
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Bei Veniendung einer Fremderregung für die Stromerzeuger wird man
die dazu vorgesehenen Erregermaschinen, z. B. n und o, deren Pole auch von l;ermanenten
Magneten gebildet sein können, so verbinden, daß sie trotz -ansteigender Drehzahl
eine gleichbleibende oder sogar abnehmende Erregerspannung erzeugen. Der Synchronantriebsmotor
en für den Kontaktumformer l wird unter Zwischenschaltung des Transformators w aus
dem Netz RST gespeist. Für den Fall, daß diese Speisung unterbrochen wird, oder
die Windkraftwerke allein das Netz RST speisen sollen, ist für den Antrieb des Kontaktumformers
l noch der Gleichstromhilfsmotor x
vorgesehen, der aus dem Gleichstromhilfsstromkreis
gespeist wird. Um zu; vermeiden, daß dieser Hilfsmotor x durch etwa in dem Gleichstromhilfsstromkreis
vorhandene Spannungsschwankungen oder durch Lastschwankungen, dien sich aus dem.
Betrieb des Kontaktumformers ergeben:, mit schwankender Drehzahl betrieben: wind,
isst für diesen Hilfsmotor noch ein; Feldregler y vorgesehen, der durch das Reglerpendel
z so verstellt wird, daß der Hilfsmotor x den Kontaktumformer l mit
einen der gewünschten Sollfrequenz des Netzes entsprechenden konstanten Drehzahl
antreibt.
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Die Erfindung bedeutet auch beim Betrieb von Wasserkraftwerken eine
ganz wesentliche Vereinfachung der Betriebsweise, wenn es dabei nicht auf eine belastungsabhängige
Regelung der Triebwassermenge ankommt oder die Belastungsschwankungen im Netz gering
sind. Es genügt dabei, da.ß die Antriebsmaschinen und Stromerzeuger- für die Durchgangsdrehzahl
ausgelegt sind, d. h. bei ausbleibender Belastung unbedenklich bis auf diese Drehzahl
hochlaufen können. Da die Stromerzeugungsanlage selbst keine Belastungsschwankungen
drehzahlmäßig auszugleichen hat, können die Maschinensätze ohne Berücksichtigung
von- für solchen Ausgleich bestimmten Schwungassen aufgebaut sein.
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Beim Verbundbetrieb mehrerer Stromerzeur gungsanlagen bereitet das.
Parallelschalter insbesondere der Wasser- oder windangetriebenen Aggregate verhältnisniiißigr
große Schwierigkeiten, weil dabei die zuzuschaltenden Anlagen. mit (-lilfe des Turbinenreglers-oder
des. 1)riehralilrcglers des Windrades nur mit gringren zuliissigen Abweichungen
auf
die Synchrondrehzahl des Netzes eingeregelt werden müssen. Durch die Verwendung
eines Wechselrichters kommen. diese Schwierigkeiten beim Parallelschalten von Stromerzeugeranlagen
auf ein Netz in Fortfall, denn es kann dann, wenn die zuzuschaltende Anlage etwa
die dem Netz entsprechende Spannung aufweist, die Zuschaltung über den Wechselrichter
(Kontaktumformer) unabhängig von der Drehzahl des Stromerzeugers erfolgen.
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Handelt es sich um Anlagen für die Erzeugung elektrischer Energie,
bei denen mehrere von Windrädern oder Wasserturbinen betriebene Stromerzeuger zu
einer Anlage zusammengefaßt sind, so ist es zur weiteren Vereinfachung der Frequenzerzeugung
bzw. der FrequenzumfoTmung auch möglich, für alle Stromerzeuger nur einen . Wechselrichter
(Kontaktumformer) vorzusehen, der den. erzeugten Gleichstrom in Dreh- oder Wechselstrom
der Netzsollfnequenz umformt. Diese Möglichkeit ist auch gegeben, wenn der umzuformende
Gleichstrom in der erwähnten Weise mittels Wechselrichter oder Kontaktumformer aus
Wechsel- oder Drehstrom ungleicher Frequenz gewonnen ist. Allerdings muB für die
Umformung in Gleichstrom jedem der Stromerzeuger dann ein Kontaktumformer zuggeordnet
ir@erden@ während: für die Umformung des Gleichstromes in Wechselstrom sich der
Vorteil der Verwendung eines gemeinsamen Kontaktumformers verwirklichen läBt. Bei
der Zusammenfassung mehrerer Sfrornerzeuger zu einer Anlage braucht auch nur ein
allen Stromerzeugern gemeinsamer pendelgesteuerter Hilfsmotor für den Antrieb des
Kontaktumformers vorgesehen zu sein.
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Wenn: für die Erläuterung in bevorzugter Weise auf die Verwendung
des Kontaktumformers hingewiesen ist, so ist dies mit Rücksicht auf den bekannten
günstigen Wirkungsgrad dieses Wechselrichtergerätes erfolgt. Es ist aber auch möglich,
an Stelle des Kontaktumformers andere, z. B. gittergesteuerte Wechselrichfiergeräte
zu benutzen. Auch in diesem Falle muß das die Ventilwirkung auslösende Gitter in
Abhängigkeit von der Sollfrequenz des zu speisenden Netzes gesteuert werden, was
gleichbedeutend mit der Steuerung der Unterbrecherkontakte bei dem mechanischen
Wechselrichter, dem Kon- I taktumformer ist. ! Die beschriebenen Möglichkeiten für
den synchronen: Antrieb des Kontaktumformers lassen sich ebenfalls für gittergesteuerte
Wechselrichter anwenden, indem das Steuer- ; gitter an eine der Sollfrequenz des
Netzes entsprechende Energiequelle gelegt ist. die auch bei der Anordnung mit einem
lendelgesteuerten Hilfsmotor der an dessen Stelle vornisehende Einankerurnformer
sein kann.