DK174466B1 - Fremgangsmåde til begrænsning af indkoblingsstrøm og overskudseffekt fra en vindmølle eller et lignende el-producerende anlæg til udnyttelse af vedvarende energi, og en regulerbar elektrisk effektafleder (bremsebelastning) til brug ved denne fremgangsmåde - Google Patents

Description

i DK 174466 B1 : Opfindelsen angår en fremgangsmåde til begrænsning af indkoblingsstrøm og overskudseffekt fra en vindmølle eller et lignende el-producerende anlæg til udnyttelse af vedvarende energi, hvilken fremgangsmåde nærmere bestemt er af den i indledningen til krav 1 angivne art.

5 Når en asynkronmotor drives over det synkrone omløbstal, vil maskinen virke som en elektrisk generator, der omdanner den tilførte mekaniske akseleffekt til elektrisk effekt. Forudsat motoren -nu en asynkron generator- er koblet på et vekselspændingsnet, vil den genererede strøm blive sendt ind på dette. Denne egenskab udnyttes bl a i moderne 10 vindmøller og lignende energianlæg til udnyttelse af vedvarende energi. Det bemærkes dog, at de til generatordrift benyttede asynkronmotorer er specielt viklet til fomålet.

Den frembragte elektriske effekt fra en vindmølle er i sagens natur varierende grundet vindens varierende, ustabile natur. Indkoblingen på nettet er forbundet med store 15 tekniske vanskeligheder, idet indkoblingen foretages fra en tilstand, hvor møllen kører nærmest ubelastet, og ofte samtidig med, at vindhastigheden er tiltagende. Ideelt set burde vindhastigheden kunne reguleres som en anden kontrollerbar driftsparameter, og man ville da kunne regulere vindhastigheden langsomt op indtil vindmøllerotoren lige netop roterede med synkront omløbstal. Når generatorfaserne efterfølgende havde 20 indstillet sig synkront med netfaseme kunne indkoblingen på nettet foretages gennem et relæ eller en lignende simpel elektrisk kontaktmekanisme, uden at dette ville fremkalde strømstød på nettet eller momentdiskontinuiteter i vindkraftanlægget. I praksis er denne fremgangsmåde naturligvis ikke mulig, eftersom vindhastigheden ikke er kontrollerbar.

25 I praksis er man tvunget til at tage hensyn til, at vindens hastighed og dermed energiindhold kan ændre sig endog meget hurtigt. I kraftige vindstød vil vindmøllerotoren således kunne accelerere op over det synkrone omløbstal på meget kort tid, forudsat der indledes fra en "tomgangstilstand", hvor møllen roterer med undersynkront omdrejningstal, og hvor generatoren -og dermed også rotoren- er 30 ubelastet. Indkoblingen af generatoren skal foregå senest i det øjeblik, hvor det synkrone omdrejningstal passeres, hvis ikke vindmøllen skal løbe løbsk. Foral hindre uaceepia:'·..;'. store strømstød på nettet og momentstød på rotoren er det nødvendigt at foretage indkoblingen "blødt", dvs at effekttransmissionen mellem generatoren og nettet under indkoblingsforløbet skal øges jævnt fra et minimum til fuldt indkoblet effekt. Til dette 35 formål har Μ1ΤΛ TEKNIK A/S udviklet en elektronisk regulerbar, elektrisk kobling, som imødekommer behovet for en fuldt kontrollerbar indkoblingsproces. Der henvises til beskrivelsen til DK-patentansøgning nr 0758/97.

Ønsket om en blød indkobling på nettet er imidlertid i direkte modstrid med behovet for 40 en hurtig, kontant belastning af rotoren, når de dynamiske forhold omkring møllen fordrer dette, dvs når vindmøllen under tomgangskørsel udsættes for et kraftigt vindstød som beskrevet. Grunden hertil er naturligvis, at man for at undgå ’’løbskkørsel” er tvunget til at holde møllen tøjlet (belastet), så omdrejningstallet ikke øges ukontrolleret under indkoblingsforløbet. Og det er jo netop under indkoblingsforløbet at man af hensyn 45 til den bløde indkobling på nettet ønsker at øge generatorens belastning successivt over en periode, i hvilken periode generatorens bremsevirkning på rotoren følgelig er reduceret. I praksis er det nødvendigt at vælge et kompromis, hvor generatorens indkobling foretages under et kontrolleret indkoblingsforløb fastlagt under hensyntagen 2 DK 174466 B1 til de påvirkninger, vindmøllekonstruktionen som sådan kan udsættes for (momentbelastning på gear og rotoraksel, bøjningspåvirkninger på vingerne, etc), ligesom der må tages hensyn til den maksimale indkoblingsstrøm, som kan accepteres j under hensyntagen til netkvaliteten.

5

Ved indkobling af en asynkron generator på nettet opstår en kortvarig stigning i strømstyrken forårsaget af magnetiseringsstrømmen. Foruden denne magnetiseringsstrøm har det i praksis vist sig, at der umiddelbart efter passagen af synkronpunktet opstår en strømstyrke (strømstød), som langt overstiger hvad der kunne forventes som 10 magnetiseringsstrøm alene. Fænomenet kan forklares ved, at generatoren i praksis kobles ind på nettet umiddelbart inden møllen når synkronpunktet, således at generatoren kortvarigt fungerer som motor, indtil synkronpunktet nås. Når synkronpunktet passeres under rotorens fortsatte acceleration skifter generatoren fra motordrift til generatordrift.

15 Dette skift indebærer ikke kun en ændring i de elektriske forhold omkring generatoren (fasevinkel, mætningsstrøm, etc), men også et skift i belastningen på vindmøllens fysiske struktur og maskinkomponenter. Dette hænger sammen med, at drejningsmomentet mellem rotoren og generatoren skifter retning, når generatoren ændrer funktion fra motor til generator. Dette skift i belastningsretning (momentretning) betyder frigivelse af 20 opspændt elastisk energi i systemet. Eksempelvis vil den elastiske forspænding i rotoraksel, rotorblade, gearophæng og elastiske akselkoblinger udløses som bevægelsesenergi ved momentskiftet. Den udløste bevægelsesenergi omsættes efterfølgende til en kortvarig forøgelse af generatorens omdrejningstal, og vil derfor føre til en kortvarig effektforøgelse. Det er netop denne effektforøgelse, som kan måles som 25 en kraftig indkoblingsstrøm, der langt overstiger den forventede magnetiseringsstrøm. At udløsningen af den elastiske energi finder sted samtidig med, at rotoren under indkoblingsforløbet arbejder sig hurtigt op i omdrejninger, bidrager yderligere til de ovenfor omtalte problemer i forbindelse med indkoblingen af generatoren på nettet.

30 Generatoren skal således være i stand til på én og samme tid at opbremse den kinetiske energi, som rotoren har nået at opsamle under det ''glidende'' i:udkoblingsforløb. dvs generatoren skal yde en passende nedbremsning af rotoren til driftsomløbstal, og dette skal foregå samtidig med, at generatoren som anført optager den udløste elastiske energi fra møllekonstruktionen. Resultatet er den målte, relativt høje indkoblingsstrøm, som 35 optræder i en kortvarig periode efter passage af synkronpunktet.

Generelt vedrørende nettilsluttede vindkraftanlæg (og lignende anlæg til udnyttelse af vedvarende energi) kan siges, at kravene til kvaliteten af den elektriske effekt, som produceres af anlæggene, øges i takt med, at anlæggene bliver stadigt større og at antallet 40 af anlæg vokser. Vindmøllebranchen har bl a i Tyskland mødt en række skærpede kvalitetskrav med hensyn til netkvaliteten, som betyder, at de ovenfor omtalte problemer i forbindelse med vindmøllernes nettilslutning og el-produktion nødvendigvis må finde en løsning. Ved netkvaliteten forstås en række kravspecifikationer, som de nettilsluttede vindkraftanlæg skal overholde inden de kan godkendes, herunder bl a krav om en 45 maksimal indkoblingsstrøm, snævre grænseværdier for effektoverskridelse, etc. Hidtil kendte metoder til styring og regulering af nettilsluttede vindmøller under indkoblingsforløbet er utilstrækkelige til løsning af problemerne i forbindelse med de 3 DK 174466 B1 ; kraftigt forhøjede strømstyrker, som optræder under indkoblingen, jf. forklaringen ovenfor.

Den foreliggende opfindelse har som formål, at anvise en løsning på, hvorledes kravene 5 til netkvaliteten kan overholdes. Nærmere bestemt er formålet at anvise en fremgangsmåde til begrænsning af generatorens indkoblingsstrøm på nettet, samtidig med, at den nødvendige tøjling (belastning) af vindmøllen under indkoblingsforløbet tilgodeses.

i 10 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at generatoren afbremses/belastes ved at ’’dumpe” effekt via en reguleringsenhed i et modstandsnetværk under indkoblingsforløbet, dvs medens thyristorerne i hovedstrømkredsen endnu ikke er helt åbne. På denne måde skånes nettet effektivt for strømstød, som overstiger en specificeret maksimalstrøm. Dvs at fremgangsmåden gør det muligt på én og samme tid 15 at overholde kravene til netkvalitet, samtidig med, at møllegeneratoren belastes tilstrækkeligt til, at møllen effektivt tøjles under indkoblingsforløbet.

Formålstjenligt er den til effektdumpningen benyttede dumpload (modstandsnetværk) trinvis eller trinløst regulerbar over et relativt bredt effektinterval, hvis størrelse er valgt 20 under hensyntagen til, at enhver overbelastning af nettet med strømstød eller periodiske overskridelser af den for nettet fastsatte maksimalstrøm under alle omstændigheder skal kunne afværges ved passende dumpning af overskudseffekt under indkoblingsforløbet. Dumpload-indkoblingen styres ifølge opfindelsen af en datamat, som løbende beregner den nødvendige dumpload-belastning bl a på grundlag af generatorens fasevinkel og 25 strøm, til hvilken beregning der er indlagt en fast algoritme i datamaten. Dumpload-teknikken bevirker, at generatorens neteffekt stabiliseres omkring den maksimalt tilladelige ydelse, uden at denne overskrides, og uden at der unødigt ’’brændes” effekt af i perioder, hvor effekten kunne være sendt ind på nettet. Dvs at teknikken dels sikrer optimal ydelse, dels medvirker til, at kravene til netkvalitet overholdes.

30

Ved fremgangsmåden v- m ;j >: mdelsen kan dumploaden med fordel være sammensa! al' resistiv, kapacitiv eller induktiv modstand eller en hvilken som helst kombination heraf. Styringen af dumploadens indkoblingsgrad sker i afhængighed af generatoreffekten og/eller andre relevante driftsparametre, som indikerer generatorens ydelse. Styringen 35 kan følge et forud fastlagt program, fx fastlagt som en beregningsalgoritme i en til systemet hørende styringsdatamat. Programmet sikrer udkobling af dumploaden i de perioder, hvor generatorydelscn er mindre end eller svarende til den nominelle ydelse (dvs nettets dimensionering). Man opnår på denne måde, dels at der tages hensyn til netkvaliteten (effektspidser, som overstiger den nominelle effektgrænseværdi, 40 ’’afbrændes” i dumploaden), dels at den nyttiggjorte effekt fra generatoren optimeres.

Opfindelsen skal forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor

Fig. 1 viser et kurvediagram, der anskueliggør de driftsmæssige forhold omkring 45 indkoblingstidspunktet for en vindmølle,

Fig. 2 et kurvediagram, der viser virkningen af dumpload-teknikken under driftsmæssige forhold, hvor generatorydelsen overstiger den tilladelige maksimaleffekt på nettet, og 4 DK 174466 B1

Fig. 3 et tværsnit af et mølletårn, som viser placeringen af dumpload- modstandselementer. ' 5 Diagrammerne, som er umiddelbart forståelige, illustrerer hvorledes dumpload-teknikken anvendes til at tøjle en vindmølle under indkoblingen på nettet uden at dette medfører slrømstød (fig. I), og hvorledes generatorydelsen ’’reguleres” ved domploading under mere almindelige driftsforhold (fig. 2). Den regulerede neteffekt er indtegnet på kurveform i figuren. Kurven viser, hvorledes både hensynet til netkvaliteten og hensynet 10 til størst mulig nyttiggjort ydelse fra møllen imødekommes.

1 fig. 3 er vist, hvorledes de til systemet hørende dumpload-modstandselementer kan placeres indvendig i mølletåmet 1 under udnyttelse af selve tårnet som køleflade. Tåmet består af bukket eller valset stålplade 2. Dumpload-modstandselementerne- eller i det 15 mindste disses resistive komponenter- udgøres af elektriske varmelegemer 3, som er indlejret i holdere 4 med U-profil. Holderne 4 er boltet fast på indersiden af tårnpladcn 2 i tæt anlæg mod denne. Den ved effektafledningen udviklede varme afgives til tåmpladen og fordeles langs denne. Dvs at tåmpladen virkersom køleelement. Af hensyn til tårnets opvarmning er varmelegemerne symmetrisk fordelt langs omkredsen af tårnet, således at 20 temperaturvarialionen langs omkredsen er mindst mulig.

Claims (3)

1. Fremgangsmåde til begrænsning af indkoblingsstrøm og overskudseffekt fra en vindmølle eller et lignende el-producerende anlæg til udnyttelse af vedvarende energi, hvor anlæggets el-producerende generator er en asynkron vekselstrømsgenerator 5 (sædvanligvis 3-faset generator), som er koblet på et vekselspændingsnet (3-faset vekselspændingsnet), og hvor indkoblingen på nettet foretages v hj af en variabel, elektronisk styrbar elektrisk kobling af den type, som er baseret på thyristorer, hvis åbningsvinkel sammen med generatorens fasevinkel er bestemmende for den aktuelle koblingsgrad (underforstået: procentvise effektindkobling), og hvor indkoblingen på 10 nettet foretages successivt ved tilpasning af thyristor-åbningsvinklen i afhængighed af bl a generatorens momentane fasevinkel samt andre relevante driftsparametre, således at både generatorstrøm og momentbelastning under indkoblingsforløbet kan kontrolleres og øges gradvis efter en forud fastlagt kurve (en såkaldt ’’blød” indkobling), kendetegnet ved, 15 at generatoren afbremses/belastes ved at ’’dumpe” effekt via en reguleringsenhed i et modstandsnetværk under indkoblingsforløbet, dvs medens thyristorerne i hovedstrømkredsen endnu ikke er helt åbne.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet 20. at den til effektdumpningen benyttede dumpload (modstandsnetværk) er trinvis eller trinløst regulerbar over et relativt bredt effektinterval, hvis størrelse er valgt under hensyntagen til, at enhver overbelastning af nettet med strømstød eller periodiske overskridelser af den for nettet fastsatte maksimalstrøm under alle omstændigheder skal i kunne afværges ved passende dumpning af overskudseffekt under indkoblingsforløbet, 25 og - at dumpload-indkoblingen styres af en datamat, som løbende beregner den nødvendige dumpload-belastning på grundlag af generatorens fasevinkel og strøm, til hvilken beregning der er indlagt en fast algoritme i datamaten. 30

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegne! ved. at der til dumpload- belastningen benyttes cn elektrisk belastning sammensat af re.Msiiv. kapacitiv dier induktiv modstand eller en hvilken som helst kombination heraf.