DE893839C

DE893839C - Wind power plant, the wind turbine of which is connected to a three-phase network via an asynchronous generator

Info

Publication number: DE893839C
Application number: DEST1750D
Authority: DE
Inventors: Dimitry Dipl-Ing Stein
Original assignee: NORDWIND GmbH
Current assignee: NORDWIND GmbH
Priority date: 1944-06-06
Filing date: 1944-06-06
Publication date: 1953-10-19

Description

Windkraftwerk, dessen Windrad über einen Asynchrongenerator mit einem Drehstromnetz in Verbindung steht In jüngster Zeit ist verschiedentlich der Gedanke aufgetaucht, in dünnbesiedelten Gebieten, z. B. des Ositens, Windkraftwerke aufzustellen, die r an verschiedenen Orten in das Überlandnetz einspeisen. Auf diese Weise sind unter anderem eine erhebliche Entlastung der Wärmekraftwerke sowie des Leitungsnetzeis, eine Verbesserung der Belastungsverhältnisse und damit eine beträchtliche Brennstoff-und Materialeinsparung möglich. Die Durchführung dieses Planes ist bisher daran gescheitert, daß noch keine einfache und betriebssichere Lösung für den Parallelbetrieb eines Windkraftwerkes mit einem Drehstromnetz bekanntgeworden ist. Diese Frage gewinnt ferner dadurch an Bedeutung, daß sie auch für die geplanten Großwindkraftwerke in ähnlicher Form auftritt und auch dort noch kenne befriedigende Klärung gefunden hat Gegenstand der Erfindung ist eine solche .Anlage, die die Nachteile der bisherigen Ausführungen weitgehend ausschaltet.Wind power plant, whose wind turbine has an asynchronous generator with a Three-phase network is connected In recent times, the thought is various surfaced, in sparsely populated areas, e.g. B. des Ositens to set up wind power plants, feed the r into the overland network at different locations. That way are Among other things, a considerable relief of the thermal power plants and the pipeline network, an improvement in the load conditions and thus a considerable fuel and Material savings possible. The implementation of this plan has so far failed because that there is still no simple and reliable solution for the parallel operation of a Wind power plant with a three-phase network has become known. That question wins also because it is also important for the planned large wind power plants in similar form occurs and there, too, a satisfactory clarification has been found The subject of the invention is such .Anlage that the disadvantages of the previous Executions largely turns off.

Bisher bekanntgewordene Lösungen: z. Parallelbetrieb mit Umformersatz. Das, Windrad arbeitet hierbei auf einen Gleichstromgenerator, der einem Gleichstrommotor speist. Der Gleichstrommotor treibt seiinerseits einen Drehstrom-Synchrongenerator an, der mit dem Überlandnetz in Verbindung steht. Eine solche Lösung mit einem Umformersatz, die betrieblich keine besonderen Schwierigkeiten aufweist, hat infolge der dreifachen Verluste nur einem schlechtem Wirkungsgrad, insbesondere bei Teillasten, und erfordert beträchtliche Anlagekosten.Solutions that have become known so far: z. Parallel operation with converter replacement. The wind turbine works here on a direct current generator, which is a direct current motor feeds. The DC motor drives a three-phase synchronous generator connected to the overland network. Such a solution with a converter replacement, which has no particular operational difficulties, as a result of the threefold Losses only with poor efficiency, especially with partial loads, and requires considerable investment costs.

2. Parallelbetrieb mit Umformer bzw. Wechselrichter. Bei dieser Lösung soll der Gleichstromgenerator über einen Umformer, und zwar über einen Kontaktumformer, mit dem Drehstromnetz in Verbindung stehen. Eine Abart dieses Vorschlages sah die unmittelbare Wechsel- oder Drehstromerzeugung mit grobgeregelter Frequenz und anschließende Umformung in Gleichstrom vor. Der Gleichstrom sollte dann mit Hilfe eines Wechselrichters in Drehstrom der Netzfrequenz umgerichtet werden. Diese Ausführungen leiden neben den. unter z aufgeführten Nachteilen unter erheblicher Störanfälligkeit und erfordern daher dauernde fachmännische Wartung.2. Parallel operation with converter or inverter. With this solution should the direct current generator via a converter, namely via a contact converter, are connected to the three-phase network. The saw a variation of this proposal direct alternating or three-phase current generation with roughly regulated frequency and subsequent Conversion into direct current. The direct current should then be with the help of an inverter be converted into three-phase current of the mains frequency. These designs suffer alongside the. under z listed disadvantages under considerable susceptibility to failure and require therefore constant professional maintenance.

3. Parallelbetrieb mit Synchrongenerator. Das Windrad soll nach diesem Vorschlag, der insbesondere für größere Windkraftwerke gemacht worden ist und die Nachteile der bisher besprochenen Ausführungen vermeiden soll, unmittelbar einen Synchrongenerator antreiben, der seinerseits mit dem Drehstromnetz in Verbindung steht. Wenn auch theoretisch ein solcher Parallelbetrieb eines unmittelbar angetriebenen Drehstrom-Synchrongenerators denkbar ist, so stallen sich dem doch große betriebliche Schwierigkeiten entgegen. Die dem Synchrongenerator eigentümliche, durch die Netzfrequenz bestimmte Drehzahl stellt erhebliche Anforderungen an die Art und die Genauigkeit der Regelgeräte, die daher einer laufenden Überprüfung bedürfen. Ein üblicher Fliehkraftregler genügt für einen sicheren Betrieb nicht, da er die Überlastung des Synchrongenerators nicht verhindern kann; so daß außerdem noch zusätzliche mechanische (Entkupplung bei unzulässig hohem Drehmoment) und elektrische (stromabhängige Schütze) Sicherheitseinrichtungen notwendig sind. Ein grundlegender Nachteil liegt außerdem noch in der durch die, Frequenz des, Netzes bedingten Drehzahl des Synchrongenerators, wodurch die Windenergie schlecht ausgenutzt- wird, da zu jeder Windgeschwindigkeit eine günstigste Windraddrehzahl gehört. Zudem ist noch der Einbau eines Gleichstromgenerators! als Erregermaschine notwendig.3. Parallel operation with synchronous generator. The wind turbine should after this Proposal that has been made in particular for larger wind power plants and which Disadvantages of the previously discussed explanations should be avoided immediately Drive synchronous generator, which in turn is connected to the three-phase network stands. Even if theoretically such a parallel operation of a directly driven one Three-phase synchronous generator is conceivable, so the large operational stalls Difficulties. The one peculiar to the synchronous generator, due to the network frequency certain speed places considerable demands on the type and accuracy of the control devices, which therefore need to be checked on an ongoing basis. A common governor is not sufficient for safe operation, as it overloads the synchronous generator can not prevent; so that additional mechanical (decoupling in the event of impermissibly high torque) and electrical (current-dependent contactors) safety devices are necessary. Another fundamental disadvantage lies in the fact that Frequency of the network-related speed of the synchronous generator, whereby the wind energy is poorly exploited, since the most favorable wind turbine speed for every wind speed heard. In addition, there is still the installation of a direct current generator! as an exciter necessary.

q.. Parallelbetrieb mit Drehstrom-Kommutatormaschine. Die Drehstrom-Kommutatormaschine stellt bekanntlich eine Verbindung zwischen Gleichstrom- und Drehstrommaschine dar. Einerseits hat sie daher einen den Gleichstrommaschirnein eigenen großen Drehzahlbereich, andererseits ist ein unmittelbarer Parallelbetrieb mit einem Drehstiromnetz möglich. Die Drehstrom-Kommutatormaschine kann daher unmittelbar vom Windrad angetrieben werden und aufs Netz arbeiten. Durch den großen Drehzahlbereich ist eine Anpassung an die Kennlinie des Windrades, und damit eine gute Windausnutzung möglich. Der erhebliche Aufwand, den eine solche Anlage erfordert, verursacht aber insbesondere bei kleineren. und mittleren Windkraftwerken derartige Kosten, daß eine praktische Verwendung nicht in Frage kommt. 5. Parallelbetrieb mit Asynchrongenerator. Eine solche Betriebsweise, bei der das Windrad unmittelbar auf einen Asynchrongenerator arbeitet, der seinerseits mit dem Überlandnetz in Verbindung steht, ist infolge ihrer Einfachheit verschiedent ich angestrebt und auch durchgeführt worden. Auch ihr haften jedoch die grundsätzlichen Nachteile des unmittelbaren Synchronbetriebes (vgl. 3) an. Hierbei ist lediglich versucht worden, durch Einschalten von Widerständen in den Läuferstromkreis die steileLeistungsdrehzahlkennlinie etwas umzubiegen, um auf diese Weise den Ein- und Abschältpunlet besser erfassen zu können. Im normalen Betrieb wurden jedoch die Widerstände sofort abgeschaltet, da sie nach der bisherigen Auffassung reine Verlustquellen darstellten. Der Häuptnachtedl dieser Betriebsweiss liegt wiederum in der durch die fast konstante Drehzahl bedingten schlechten Ausnutzung der Windkraft. # Der Gefahr der Überlastung wurde bei ausgeführten Anlagen dadurch begegnet, .daß Riementriebe bei der Übertragung der Energie vom Windrad auf den Generator eingeschaltet wurden, die von einer bestimmten Leistung ab zu gleiten anfingen und so die überschüssige Energie vernichteten. Bekannt sind auch Ausführungen, bei denen die Schlüpfung auf Regelglieder übertragen wird, die dann eines Flügelverstellung und damit eine 'Verringerung der aufgenommenen Windleistung bewirken.q .. parallel operation with three-phase commutator machine. The three-phase commutator machine is known to be a connection between DC and three-phase machines. On the one hand, it therefore has a large speed range of its own for the DC machine, on the other hand, direct parallel operation with a three-phase network is possible. The three-phase commutator machine can therefore be driven directly from the wind turbine and work on the net. Due to the large speed range, there is an adjustment to the characteristic of the wind turbine, and thus good wind utilization is possible. Of the but in particular causes considerable effort that such a system requires with smaller ones. and medium-sized wind power plants such a cost that a practical Use out of the question. 5. Parallel operation with asynchronous generator. One such mode of operation in which the wind turbine is directly connected to an asynchronous generator works, which in turn is connected to the overland network, is due to Its simplicity has been striven for and carried out in various ways. Even However, it is liable for the fundamental disadvantages of direct synchronous operation (cf. 3). The only attempt has been made by switching on resistors in the rotor circuit to bend the steep power speed characteristic a little in this way to be able to better grasp the switch-on and switch-off point. In normal In operation, however, the resistors were switched off immediately as they were after the previous one Conception represented pure sources of loss. The Häuptnachtedl this company white again lies in the poor utilization caused by the almost constant speed of wind power. # The risk of overloading in the running systems was thereby encounters .that belt drives when transferring energy from the wind turbine to the Generator were switched on, which slide off from a certain power started and so destroyed the excess energy. Also known are designs in which the slippage is transferred to control elements, which then have a wing adjustment and thus cause a 'reduction in the wind power consumed.

In technischer und wirtschaftlicher Hinsicht befriedigt keine der beschriebenen Möglichkeiten ganz. Die Drehstrom-Kommutatormaschine: ermöglicht zwar eine Anpassung an die Drehzahlkennlinie des Windrades und damit eine beste Ausnutzung des Winddargebotes, erfordert aber zu hoheAnlage4 kosten. Die Windkraftiausnutzung kann nur mit einfachen und betriebssicheren Maschinen Erfolg haben und mit anderen kleineren Energiieierzeugungsanlagen in Wettbewerb treten. Daher liegt der Gedanke nahe, für einen Parallelbetirieb mit dem Netz die einfachste Maschine, also den A.synchrongenerator,. zu verwenden. Den Nachteil des engen Drehzahlbereiches hat man jedoch bisher noch nicht überwinden können.From a technical and economic point of view, none of them are satisfactory described possibilities entirely. The three-phase commutator machine: makes it possible an adaptation to the speed characteristic of the wind turbine and thus the best possible utilization the wind power, but requires too high system costs. The wind power utilization can only be successful with simple and reliable machines and with others smaller energy generating plants enter into competition. Hence the thought lies close, the simplest machine for parallel operation with the network, i.e. the A. synchronous generator. to use. Has the disadvantage of the narrow speed range However, one has not yet been able to overcome it.

Erfindungsgemäß soll die Erweiterung des Drehzahlbereiches, durch Einschalten von Impedanzen, z. B. von Ohmschen Widerständen, in den Läuferstromkreis erreicht werden, wobei die Kennlinie des Generators an die günstigste Drehzahlkennlinie des Windrades angepaßt wird. Auf diese Weise ist es möglich, dem Wind bei jeder Windgeschwindigkeit die größtmögliche Leistung zu entziehen. Dem erheblichen Leistungsgewinn stehen zwar Verluste in den erwähnten Impedanzen gegenüber, die jedoch dem erzielten Leistungsgewinn bedeutend nachstehen.According to the invention, the expansion of the speed range through Switching on impedances, e.g. B. of ohmic resistances in the rotor circuit can be achieved, with the characteristic of the generator at the most favorable speed characteristic of the wind turbine is adjusted. In this way it is possible to catch the wind at everyone Wind speed to withdraw the greatest possible power. The significant gain in performance there are losses in the impedances mentioned, but those that are achieved Significantly inferior to the gain in performance.

Die Verluste können gemäß der weiteren Erfindung dadurch vermieden werden, daß man als Impedanzen Stromverbraucher wählt, die in den Läuferstromkreis eingeschaltet werden. So, kann man z. B. die im Läufer umgesetzte Energie zur Bereitung von Heißwasser benutzen. Eine weitere besonders wichtige Möglichkeit liegt in dem Antrieb von Kolbenpumpen mit Hilfe von Aubmagneten. Diese Betriebsweise wird dadurch ermöglicht, daß die Frequenz im Läufer nur ein oder .wenige Hertz beträgt, so daß die Pumpe z. B. mit einem Hub je Sekunde arbeiten kann. Da es sich hierbei um Stapelarbeit handelt, spielt die jeweils zur Verfügung stehende Leistung nur eine! untergeordnete Rolle.The losses can thereby be avoided according to the further invention be that one chooses current consumers as impedances that are in the rotor circuit be switched on. So, you can z. B. the energy converted in the runner for preparation use of hot water. Another particularly important possibility is that drive of piston pumps with the help of aubagnets. This mode of operation is made possible by the fact that the frequency in the rotor is only one or a few Hertz, so that the pump z. B. can work with one stroke per second. As this is When it comes to batch work, the available power only plays one! subordinate role.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Wind power plant, whose wind turbine has an asynchronous generator is connected to a three-phase network, characterized in that for the purpose Adaptation of the characteristic of this generator. to the most favorable speed characteristic deis Wind turbine, in the rotor circuit impedances, e.g. B. Ohmsehe resistances built in are. z. Wind power plant according to Claim i, characterized in that the impedances Electricity consumers are selected, which are useful for the electrical work output utilize. 3. Wind power plant according to claim i and?, Characterized in that as Electricity consumers piston pumps, electrical heating devices, or others that do batch work Electricity consumers are selected.