EP0939995A1 - Windenergiepark - Google Patents

Windenergiepark

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Publication number
EP0939995A1
EP0939995A1 EP97925849A EP97925849A EP0939995A1 EP 0939995 A1 EP0939995 A1 EP 0939995A1 EP 97925849 A EP97925849 A EP 97925849A EP 97925849 A EP97925849 A EP 97925849A EP 0939995 A1 EP0939995 A1 EP 0939995A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
setpoint
power
control
wmdenergiepark
generator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97925849A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Karlecik-Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0939995A1 publication Critical patent/EP0939995A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F03D9/255—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor
    • F03D9/257—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor the wind motor being part of a wind farm
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28—The renewable source being wind energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Definitions

  • the invention relates to a wind energy park.
  • Feeding the electrical energy generated with the stochastic primary energy carrier wind into a regional supply network is not without problems.
  • the technical requirements for wind result from the essay "Conditions for the connection of wind energy plants to a regional electrical energy supply network", printed in the DE magazine “ELEKTRIE”, Berlin 49 (1995) 5/6/7, pages 249 to 253 - energy parks.
  • the requirements placed on the wind turbines in this essay relate to changes in output or voltage, fluctuations in output, network flicker and provide information on the network short-circuit criteria of a Wmd energy park.
  • the voltage increase at the Wmdenergypark feed-in point in the regional supply network must not exceed 4% in accordance with a standard. This requirement results in a maximum possible energy output depending on the distance to the feeding substation of the regional supply network.
  • the energy of the individual wind energy plants belonging to a wind energy park is transferred via a three-phase line or a three-phase cable to the substation of the regional network. This can result in the already mentioned limitation of the connected load of the wind energy park, even though the total available heat energy output of the wind energy park is greater.
  • the wind turbine power fluctuations are according to
  • harmonics which occur primarily in the feed-in current of the grid-side inverters. These are to be compensated with suitable filters. In the case of long cable lines, resonances between the cable capacity and the short-circuit reactance of the system can occur in the medium-voltage network. No harmonics can occur with asynchronous generators.
  • FIG. 1 shows a known concept of a wind energy park 2 with N wind turbines 4.
  • Each wind turbine 4 has a rotor 6, a gear 8, an asynchronous generator 10 and a matching transformer 12.
  • Each thermal energy system 4 is electrically conductively connected to a busbar 16 by means of a circuit breaker 14, which is connected by means of a Three-phase line 18 is linked to a substation 20 of a regional supply network 22, for example a medium-voltage network. This three-phase line 18 can also be disconnected via circuit breaker 14.
  • This concept is inexpensive, it is not technically very reliable since, for example, an additional transmission 8 is used.
  • the advantage of the asynchronous generator 10 is that it produces no harmonics. However, the voltage change plays an important role in the asynchronous generator 10. It can happen that wind turbines 4 may be connected to the grid with a lower than planned output or that the power to be fed in must be limited.
  • FIG. 2 also shows a known concept of a wind energy park 2 with N wind energy installations 4.
  • Each wind energy installation 4 has a rotor 6, a synchronous generator 24, a converter 26, a matching transformer 12 and a filter 28.
  • each thermal energy installation 4 is connected by means of a circuit breaker 14 to a busbar 16 which is connected via a three-phase line 18 to a substation 20 of a regional supply network 22.
  • the converter 26 has a multi-pulse, for example 12-pulse, rectifier 30 on the input side and a multi-pulse, for example 12-pulse, pulse inverter 32 on the output side, the rectifier 30 and the pulse inverter 32 being connected by means of a DC voltage intermediate circuit 34 is.
  • Synchronous generator 24 connected and the rotor blades of this rotor 6 are adjustable. This adjustability of the rotor blades of the rotor 6 is indicated by arrows.
  • the synchronous generator 24 has two stator windings which are electrically offset from one another by 30 ° and are each linked to a partial rectifier of the rectifier 30.
  • appropriate filters 28 are provided, since in these wind energy plants 4 a DC voltage intermediate circuit 34 and a slow power regulation by the adjustable ones between the unit consisting of rotor 6 and synchronous generator 24 and the regional supply network 22 Rotor blade is present, the flicker problem can be reduced. However, the interference of the Emzel flicker in the regional supply network can only be predicted or suppressed with great difficulty.
  • the invention is based on the object of specifying a wind energy park with a plurality of wind energy plants in which the existing disadvantages of the known concepts for wind energy parks no longer occur.
  • This proposed direct current concept is based on the knowledge that all requirements for wind farms with regard to changes in output or voltage, output fluctuations, network flicker and network short-circuit criteria depend on the network short-circuit power available at the energy park connection point. The higher the net short-circuit power at the connection point, the easier the requirements of Wmdenergypark are met.
  • the energy is transmitted via a DC line to the inverter of the grid-side converter station, the location of which can in turn be determined in such a way that the entire available heat energy output can be transferred to a regional supply network at the same time results in an optimum price.
  • each thermal energy system has a power control that is fast because it acts via the control angle of the rectifier.
  • the interference of the Emzel flicker will take place in the DC circuit and not in the regional supply network.
  • the inverter of the grid-side converter station has a central energy transfer represents the point of supply to the regional supply network and has a three-phase voltage regulation, the flicker is practically corrected.
  • the direct current concept of a wind energy park according to the invention can be operated with a lower short-circuit line at the feed location than the comparable three-phase concepts.
  • the inventive concept for a wind energy park combines the central three-phase voltage regulation of the wind energy park with the fast decentralized wind energy plant power regulations, as a result of which the energy supply companies are offered a considerable improvement in the quality of the energy feed from wind energy parks.
  • a direct current transmission device is connected between the wind power plants connected in parallel on the direct current side and the converter station on the mains side.
  • the network-side converter station can be set up directly on a substation of a regional supply network, so that the entire wind energy output available can be fed into the regional supply network. In this way, the efficiency of a wind energy park increases significantly.
  • each wind energy installation has a rotor with adjustable rotor blades and a speed control.
  • This speed control ensures that the rotor-generator unit works at the highest permitted power limit (maximum voltage), which means that the power control range of each thermal energy system can be optimally used.
  • the speed control works via the rotor blade adjustment, whereby a speed setpoint is generated from the wind speed.
  • FIG. 2 shows a second known concept of a wind energy park
  • FIG. 3 shows an advantageous embodiment of the inventive concept of a wind energy park, in
  • FIG. 4 shows the maximum heat energy output as a function of the distance from the heat energy park to the substation of a regional supply network.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a device for power control and a speed control of a
  • FIG. 6 a block diagram of a control arrangement of the network-side converter station
  • FIG. 7 shows a diagram of the power control range of a heat energy system
  • FIG 8 shows the multi-terminal operation of the energy park in a diagram.
  • FIG. 3 shows an advantageous embodiment of the inventive concept of a wind energy park 2.
  • This wind energy park 2 has N wind turbines 4.
  • Each thermal energy system 4 has a rotor 6, the rotor blades of which are adjustable, a synchronous generator 24, a rectifier 30 and a smoothing choke 36.
  • the synchronous generator 24 is directly coupled to the rotor 6 and has two stator windings which are electrically offset from one another by 30 °, each of which is connected to a partial rectifier of the rectifier.
  • rectters 30 electrically connected smd
  • the rotor 6 of the synchronous generator 24 can have a permanent excitation or a voltage-controlled excitation.
  • the rectifier 30 is multi-pulse, for example 12-pulse.
  • the smoothing choke 36 is arranged, for example, in the positive output line 38.
  • This positive output line 38 and a negative output line 40 can be separated from a positive and negative busbar 42 and 44 by means of circuit breakers 14.
  • the N wind turbines 4 of the wind energy park 2 are connected in parallel on the DC side by means of these two busbars 42 and 44.
  • a network-side converter station 46 is arranged directly at the substation 20 of the regional supply network 22.
  • This line-side converter station 46 has a smoothing choke 48, an inverter 50, a matching transformer 52 and a filter 28.
  • the inverter 50 like the rectifier 30 of each thermal energy system 4, consists of two partial inverters.
  • the pulse of the inverter 50 also corresponds to the pulse of the rectifier 30.
  • Each partial inverter is electrically conductively connected to a secondary winding of the matching transformer 52, the primary winding of which is connected to a busbar 54 Umspannwerke ⁇ 20 is connected.
  • the filter 28 is also connected to this busbar 54.
  • the smoothing choke 48 is arranged, for example, in the positive input line 56 of the inverter 50.
  • This positive input line 56 and a negative input line 58 are electrically conductively connected to the positive and negative busbars 42 and 44 of the wind energy plants 4 connected in parallel by means of a direct current transmission device 60.
  • the direct current transmission device 60 which can be two direct current lines or a direct current cable, can be enabled by means of circuit breakers 14, which are not shown in detail.
  • the illustration of devices 62 for power control of the wind energy plants 4 and a control arrangement 102 of the grid-side converter station 46 is omitted for reasons of clarity.
  • the associated block diagrams of this device 62 for power control and this control arrangement 102 are shown in FIGS. 5 and 6.
  • the known concept according to FIG. 2 and the concept according to the invention according to FIG. 3 of a wind energy park 2 are compared with regard to the maximum wind energy output.
  • the energy to be fed into the regional supply network 22 depends on the distance between the wind energy plants 4 and the feed point.
  • the well-known three-phase concept is illustrated in the upper part of this illustration. It can be seen from this illustration that the energy to be fed in is approximately 1.5 MW, the wind energy plants 4 of the wind energy park 2 being 8 km away from the feed-in point.
  • the direct current concept according to the invention is illustrated in the lower part of this illustration. There are two
  • the network-side converter station 46 of the wind energy park 2 is arranged centrally between the wind energy plants 4 and the feed point.
  • the line-side converter station 46 is connected on the DC side by means of a DC transmission device 60 to the DC power plants 4 connected in parallel on the DC side and on the AC side by means of a three-phase line 18 to the feed point.
  • the converter converter 46 of the wind energy park 2 on the network side is arranged directly at the feed point.
  • the energy to be fed in is approximately 2.86 MW in the first variant and 6 MW in the second variant.
  • FIG. 5 shows the equivalent circuit diagram with a wind energy installation 4 of the wind energy park 2 according to FIG. 3 with its associated device 62 for power control and a speed control arrangement 64.
  • This device 62 for power control has a setpoint generator 66 with an upstream Power setpoint generator 68 and a downstream vector regulator arrangement 70, which is followed by a control device 72.
  • the setpoint generator 66 receives as input signal a power setpoint Po_r of the upstream power setpoint generator 68 and an actual DC voltage value Ud_r. From these values Po_r and Ud_r, the setpoint generator 66 is used to determine a set of setpoints Io_r and Uo_r for the current and voltage of the rectifier 30 of the thermal energy system 4.
  • the setpoint generator 66 has two characteristic transmitters 74 and 76.
  • the curve of the first sensor 74 selected for the voltage setpoint Uo_r shows the VDVOC characteristic (Voltage-Dependent-Voltage-Order-
  • the characteristic curve of the second characteristic transmitter 76 for the current setpoint value Io_r essentially has a VDCOL characteristic (Voltage-Depended-Current-Order-Limitation), ie voltage-dependent current limitation.
  • the vector controller arrangement 70 has two comparators 78 and 80, an adder 82 and a control element 84.
  • the setpoint pair Uo_r, Io_r that is formed is fed to this vector controller arrangement 70 and compared there with a determined pair of actual values Ud_r, Id_r by means of the two comparators 78 and 80.
  • the control deviations formed for current and voltage are added up by means of the adder 82.
  • This sum signal is fed to the control element 84, at the output of which a control signal for the control device 72 of the rectifier 30 of the wind turbine 4 is present.
  • the power setpoint generator 68 which generates a power setpoint Po_r as a function of the wind speed V, has a function generator 86 and a ramp generator 88 on the input side.
  • a function setpoint Po_r is generated from the wind speed V by means of the function generator 86.
  • the gradient of the power setpoint change is determined by a ramp of the ramp generator 88.
  • the speed controller arrangement 64 has a function generator 90 with downstream ramp transmitters 92 and a speed control device 94.
  • This speed control device 94 consists of a comparator 96 and a speed controller 98 with a downstream rotor blade control 100.
  • the comparator 96 compares a determined actual rotor speed value n with a generated rotor speed setpoint value n_o.
  • This speed setpoint n_o is supplied by the function generator 90 depending on the wind speed.
  • the gradient of the speed setpoint change is determined by a ramp of the ramp generator 92.
  • a set signal for the rotor blade control 100 is present at the output of the speed controller 98.
  • this rotor blade control 100 there is a control signal for the adjustment mechanism of the rotor blades, whereby the rotor blades are adjusted in such a way that the rotor speed control deviation determined by means of the comparator 96 becomes zero.
  • FIG. 6 shows the replacement circuit diagram of the power converter station 46 of the wind energy park 2 according to FIG. 3 with its associated control arrangement 102.
  • This control arrangement 102 has a device 104 for determining a power setpoint Po_ ⁇ , a device 106 for determining an extinguishing angle additive Setpoint ⁇ o_add, a setpoint generator 108, a vector controller arrangement 110 and a control device 72.
  • This control arrangement 102 is analog W
  • Differences lie in the number of values supplied to the setpoint generator 108, the characteristics of the two characteristic generators 112 and 114 and the device 104 for determining a power setpoint Po_ ⁇ . Because of the variance of the input variables (actual voltage value Ud_ ⁇ , actual power value Pd_ ⁇ , power setpoint Po_ ⁇ , setpoint angle ⁇ o, setpoint angle ⁇ o, control angle ⁇ ), the characteristic curve, in particular the VDVOC characteristic of the characteristic transmitter 112, must be in its Height in the end area and its inclination can be specified. The VDCOL characteristic of the encoder 114 can also be set.
  • the generated setpoint pair Uo_ ⁇ , Io_ ⁇ is compared by means of two comparators 78 and 80 with a determined actual value pair Ud_ ⁇ , Id__ ⁇ .
  • the control deviations formed are subtracted from one another by means of the adder 82, since the voltage setpoint Uo_ ⁇ of the setpoint pair Uo_ ⁇ , Io_ ⁇ am inverting
  • Input of the comparator 78 is pending.
  • the difference signal is fed to the downstream control element 84, at the output of which an angle signal for the control device 72 is present on the line-side converter station 46.
  • the difference in the control deviation for current and voltage is regulated to zero by means of this angle signal.
  • the device 104 for determining a desired power value Po_ ⁇ has a delay element 116 of the first order with an upper and a lower limit.
  • a determined actual power value Pd_ ⁇ and an upper and lower power limit value Pgo_ ⁇ and Pgu_ ⁇ are fed to this device 104.
  • a power setpoint Po_ ⁇ is present at the output of this device 104.
  • This control arrangement 102 has a device 106 for determining an additional setpoint angle ⁇ o_add.
  • This device 106 has a comparator 118 on the input side and a PI controller 120 on the output side.
  • a three-phase voltage control deviation is determined as a function of a three-phase voltage setpoint Uo_ac and a determined three-phase voltage actual value Uac, which is fed to the downstream PI controller 120.
  • This PI controller 120 At the output of this PI controller 120 there is an additional setpoint angle ⁇ o_add.
  • the PI controller 120 is provided with a lower limit value zero and an upper limit value max ⁇ o_add so that the erasing angle ⁇ o can only be changed within a predetermined range by the setpoint generator 108.
  • the setpoint angle ⁇ o is composed of a minimum setpoint value ⁇ o_m ⁇ n and the determined additional setpoint value ⁇ o_add, an adder 122 being provided.
  • the device 62 for power control and the control arrangement 102 and their mode of operation are described in detail, so that it can be dispensed with here.
  • FIG. 7 shows the power control range of a thermal energy system 4 of a thermal energy park 2 according to FIG.
  • the unit consisting of rotor 6 and generator 24, a thermal energy system 4 has a performance-dependent "upper” and “lower” power limitation.
  • the upper power limitation is determined by the maximum voltage the unit can be made available at the generator terminal.
  • the lower power limit is determined by the maximum current.
  • Power limitations are shown "rectified” as DC values in the Ud / Id diagram. They determine the power control range of the thermal energy system 4.
  • the characteristic of the power controller in the Ud / Id diagram is a hyperbola, which is limited by the upper power limit (maximum voltage) for high voltages and by the lower power limit (maximum current) for low voltages .
  • the power control reads a combined voltage / current control and acts via the control angle of the rectifier.
  • the characteristic curve generator 74 and 76 of the setpoint generator 66 of the device 62 for power control are matched so that the downstream control element 84 follows the power hyperbola in the normal operating range and, with reduced voltage, the lower power limitation in the Ud / Id diagram.
  • the power control range of the thermal energy system 4 can be optimally used if the unit - rotor 6, generator 24 - works on the upper allowed power limitation (maximum voltage). The maximum voltage is reached with the speed control 64, which acts via the rotor blade adjustment.
  • the control arrangement 102 according to FIG. 6 is a resistance control with a superimposed three-phase voltage control for the grid-side converter station 46 of the energy energy park 2 according to FIG. 3, which acts via the control angle of the inverter 50.
  • the superimposed three-phase voltage control changes the setpoint angle ⁇ o so that the subordinate resistance control controls the operating point on the power hyperbola, for which the three-phase voltage is also regulated.
  • the fast three-phase voltage The voltage regulation can be supplemented with a slow tap changer regulation for the adapter transformer 52, which carries out a rough three-phase voltage regulation. It is an ideal open circuit DC voltage regulation.
  • the setpoint of the tap changer control is changed by means of an additional value so that the control acting via the control angle can always work as indefinitely as possible and in the middle of the control range ⁇ max_ ⁇ and ctm ⁇ n_ ⁇ .
  • FIG. 8 shows an example of a multi-thermal energy park operation.
  • the resistance regulator with the superimposed three-phase voltage regulation determines the working point AW for the inverter 50 of the grid-side converter station 46, for which the power P_wr to be transmitted and the three-phase voltage are observed.
  • the working points AG1, AG2 and AG3 of the rectifiers 30 of the wind energy plants 4 result from the topology of the direct current system (Kirch ⁇ hoff see law, Ma ⁇ chen equation and energy conservation law) and the action of the Wmdenergynlagen power control automatically , AG2 and AG3 on their performance hyperbels which comply with the above-mentioned laws.
  • This inventive direct current concept for a Wmd energy park 2 not only reduces the number of components (instead of N inverters only one inverter), it can lead to further savings if the three-phase lines 18 between the output of the line-side converter station 46 and one Network feed point is replaced by a direct current transmission device 60. For such a 4 power transmission, it would be advisable to change the voltage of the generators 24 of the wind turbines 4 from. 690 V to their voltage values of 6-10 kV, which are otherwise common in energy generation. If the earth may be used as a return conductor, only a direct current line is used
  • Direct current transmission device 60 is required, as a result of which the price advantage increases.
  • the central three-phase voltage regulation of the heat energy park 2 combined with the fast decentralized wind power plant power regulations offer the energy supply companies a significant improvement in the quality of the energy feed from the heat energy park 2.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Windenergiepark (2). Erfindungsgemäß weist dieser Windenergiepark (2) wenigstens zwei Windenergieanlagen (4) und eine netzseitige Stromrichterstation (46) auf, wobei jede Windenergieanlage (4) einen Rotor (6), einen Generator (24), einen Gleichrichter (30), eine Glättungsdrossel (36) und eine Einrichtung (62) zur Leistungsregelung aufweist, wobei die netzseitige Stromrichterstation (46) eine Glättungsdrossel (48), einen Wechselrichter (50), einen Anpaßtransformator (52), einen Filter (28) und eine Regelanordnung (102) aufweist, wobei die Windenergieanlagen (4) gleichstromseitig elektrisch parallel geschaltet und wobei die netzseitige Stromrichterstation (46) gleichstromseitig mit den gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen (4) elektrisch in Reihe geschaltet ist. Somit erhält man einen Windenergiepark (2), dessen gesamte zur Verfügung stehende Windenergieleistung in ein regionales Versorgungsnetz übertragen werden kann.

Description

Beschreibung
Windenergiepark
Die Erfindung bezieht sich auf einen Windenergiepark.
Die Einspeisung der mit dem stochastischen Pπmarenergie- trager Wind erzeugten Elektroenergie in ein regionales Versorgungsnetz ist nicht unproblematisch. Aus dem Aufsatz „Bedingungen für den Anschluß von Windenergieanlagen an ein regionales Elektroenergie-Versorgungsnetz", abgedruckt in der DE-Zeitschrift „ELEKTRIE", Berlin 49 (1995) 5/6/7, Seiten 249 bis 253 ergeben sich die technischen Anforderungen für Wind- energieparks . Die m diesem Aufsatz aufgestellten Anforde- rungen an die Windenergieanlagen beziehen sich auf Leistungs¬ oder Spannungsanderungen, Leistungsschwankungen, Netzflicker und machen Angaben zu den Netzkurzschlußkriterien eines Wmd- energieparks .
Die Spannungsanhebung an der Wmdenergiepark-Einspeisestelle in das regionale Versorgungsnetz darf, entsprechend einer Normvorschrift, nicht mehr als 4 % betragen. Aus dieser Forderung ergibt sich eine maximal mögliche Energieleistung in Abhängigkeit von der Entfernung zum einspeisenden Umspann- werk des regionalen Versorgungsnetzes Für das in diesem Aufsatz dargestellte Wmdenergieanlagenkonzept wird die Energie der einzelnen zu einem Windenergiepark gehörenden Windenergieanlagen über eine Drehstromleitung oder ein Dreh¬ stromkabel bis zum Umspannwerk des regionalen Netzes uber- tragen. Dadurch kann es zu der bereits genannten Limitierung der Anschlußleistung des Windenergieparks kommen, obwohl die gesamte zur Verfügung stehende Wmdenergieleistung des Wmd- energieparks größer ist.
Die Windenergieanlagen-Leistungsschwankungen sind gemäß
Richtlinien für das Mittelspannungsnetz auf maximal 2 % und für das Niederspannungsnetz auf maximal 3 % begrenzt. Eine derartige Forderung kann nur von Windenergieanlagen erfüllt werden, die eine Leistungsregelung haben, wobei diese Leistungsregelung jedoch sehr langsam ist, weil sie mit einer sogenannten "Pitch-Regelung" realisiert wird, die über die Rotorblattverstellung wirkt.
Ein weiterer Storfaktor sind die Oberschwingungen, die vor allem im Einspeisestrom der netzseitigen Wechselrichter vor¬ kommen. Diese sind mit geeigneten filtern zu kompensieren. Bei langen Kabelleitungen kann es im Mittelspannungsnetz zu Resonanzen zwischen der Kabelkapazitat und der Kurzschlu߬ reaktanz der Anlage kommen. Bei Asynchrongeneratoren können keine Oberschwingungen auftreten.
Ein weiterer Storfaktor ist das Flicker-Problem. Durch Lei¬ stungsschwankungen entstehen Schwankungen in der Versorgungs- spannung. Diese Spannungsschwankungen verursachen unter anderem Helligkeitsschwankungen in Glühlampen und Leucht¬ stofflampen, die auch "Flicker" genannt werden. Da das menschliche Auge sehr empfindlich auf diese "Flicker" rea¬ giert, müssen der Hohe und Häufigkeit der Spannungsschwan¬ kungen enge Grenzen gesetzt werden. Dieses Flicker-Problem kann nur dann reduziert werden, wenn zwischen dem Aggregat, bestehend aus Rotor und Generator, und einem Mittelspannungs- Netz ein Zwischenkreis kombiniert mit einer Leistungsregelung vorhanden ist. Wie bereits festgestellt, ist die Windenergie- anlagen-Leistungsregelung langsam. Da auch ein Parallel¬ betrieb der Windenergieanlagen bei einem Windenergiepark vor¬ sieht, kann sehr schwer die Interferenz der Einzel-Flicker im Mittelspannungsnetz vorausgesagt bzw. unterdruckt werden.
Die FIG 1 zeigt ein bekanntes Konzept eines Windenergieparks 2 mit N Windenergieanlagen 4. Jede Wmdenergieanlage 4 weist einen Rotor 6, ein Getriebe 8, einen Asynchrongenerator 10 und einen Anpaßtransformator 12 auf. Jede Wmdenergieanlage 4 ist mittels eines Leistungsschalters 14 mit einer Sammel- schiene 16 elektrisch leitend verbunden, die mittels einer Drehstromleitung 18 mit einem Umspannwerk 20 eines regionalen Versorgungsnetzes 22, beispielsweise eines Mittelspannungs- netzes, verknüpft ist. Auch diese Drehstromleitung 18 ist über Leistungsschalter 14 freischaltbar . Dieses Konzept ist zwar preisgünstig, jedoch technisch nicht sehr zuverlässig, da beispielsweise zusätzlich em Getriebe 8 verwendet wird. Der Vorteil des Asynchrongenerators 10 ist, daß er keine Oberschwingungen produziert. Jedoch spielt bei dem Asynchron¬ generator 10 die Spannungsanderung eine große Rolle. Dabei kann es passieren, daß Windenergieanlagen 4 mit eine geringeren als geplanten Leistungen ans Netz gehen dürfen oder daß die einzuspeisende Leistung begrenzt werden muß.
Die FIG 2 zeigt ebenfalls ein bekanntes Konzept eines Wind- energieparks 2 mit N Windenergieanlagen 4. Jede Wmdenergie¬ anlage 4 weist einen Rotor 6, einen Synchrongenerator 24, einen Umrichter 26, einen Anpaßtransformator 12 und einen Filter 28 auf. Jede Wmdenergieanlage 4 ist wie beim Wind- energieparkkonzept gemäß FIG 1 mittels Leistungsschalter 14 mit einer Sammelschiene 16 verbunden, die über eine Dreh- stromleitung 18 mit einem Umspannwerk 20 eines regionalen Versorgungsnetzes 22 verknüpft ist. Der Umrichter 26 weist eingangsseitig einen mehrpulsigen, beispielsweise 12-pulsι- gen, Gleichrichter 30 und ausgangsseitig einen mehrpulsigen, beispielsweise 12-pulsιgen, Puls-Wechselrichter 32 auf, wobei der Gleichrichter 30 und der Puls-Wechselrichter 32 mittels eines Gleichεpannungs-Zwischenkreises 34 verbunden ist.
Gegenüber der Wmdenergieanlage 4 gemäß der FIG 1 ist bei dieser Wmdenergieanlage 4 der Rotor 6 direkt mit dem
Synchrongenerator 24 verbunden und die Rotorblatter dieses Rotors 6 sind verstellbar. Diese Verstellbarkeit der Rotor¬ blatter des Rotors 6 ist durch Pfeile gekennzeichnet. Der Synchrongenerator 24 weist zwei um 30° elektrisch zueinander versetzte Standerwicklungen auf, die jeweils mit einem Teilgleichrichter des Gleichrichters 30 verknüpft sind. Um die Oberschwingungsstrome des Puls-Wechselrichters 32 zu kompensieren, sind entsprechende Filter 28 vorgesehen Da bei diesen Windenergieanlagen 4 zwischen dem Aggregat, bestehend aus Rotor 6 und Synchrongenerator 24, und dem regionalen Versorgungsnetz 22 ein Gleichspannungs-Zwischenkreis 34 und eine langsame Leistungsregelung durch die verstellbaren Rotorblatter vorhanden ist, kann das Flicker-Problem reduziert werden. Jedoch kann die Interferenz der Emzel- Flicker im regionalen Versorgungsnetz nur sehr schwer vorausgesagt bzw. unterdruckt werden.
Diese bekannten Konzepte für Windenergieparks 2 sind alle dezentrale Drehstrom-Konzepte, weil die Energie der einzelnen Windenergieanlagen 4 in das regionale Versorgungsnetz 22 eingespeist wird. Da die Spannungsanhebung an der Wind- energiepark-Einspeiεestelle m das regionale Versorgungsnetz 22 nicht mehr als 4 % betragen darf, ergibt sich eine maximal mögliche Windenergieleistung in Abhängigkeit von der Entfernung der Wmdenergiepark-Emspeisestelle vom Umspann- werk 20. D.h., em Großteil der mit den Windenergieanlagen 4 erzeugten Leistung kann nicht in ein regionales Versorgungs¬ netz 22 eingespeist werden.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen Wind- energiepark mit mehreren Windenergieanlagen anzugeben, bei dem die bestehenden Nachteile der bekannten Konzepte für Windenergieparks nicht mehr auftreten.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß gelost mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dadurch, αaß die Windenergieanlagen eines Windenergieparks gleichstromseitig elektrisch parallel geschaltet smd, werden nicht mehr gemäß der Anzahl der Windenergieanlagen mehrere Wechselrichter benotigt, sondern nur noch eine netzseitige Stromrichterstation, die einen Wechselrichter aufweist. Dieser Wechselrichter der netzseitigen Stromrichterstation ist gleichstromseitig mit dem gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen elektrisch in Reihe geschaltet. Dadurch erhalt man ein Gleichstromkonzept für einen Windenergiepark.
Dieses vorgeschlagene Gleichstrom-Konzept basiert auf der Erkenntnis, daß alle Anforderungen an Windenergieparks bezuglich Leistungs- oder Spannungεanderungen, Leistungs¬ schwankungen, Netz-Flicker und Netz-Kurzschluß-Kriterien von der am Wmdenergiepark-Anεchlußort vorhandene Net∑kurzεchluß- leistung abhangen. Je hoher die Net∑kurzschlußleistung am Anschlußort ist, um so leichter werden die Anforderungen von Wmdenergiepark erfüllt.
Weil die Gleichstrom-Übertragung den Wmdenergiepark elek¬ trisch bis zum Wechselrichter der netzseitigen Stromrichter¬ station bringt, ist em Gleichstrom-Konzept dem bekannten Drehstrom-Konzepten technisch überlegen, da die netzseitige Stromrichterstation naher oder direkt am Umspannwerk des regionalen Versorgungsnetzes, d.h. am Anschlußort mit der höheren oder höchsten Netzkurzschlußleistung, installiert werden kann.
Bei dem erfmdungsgemaßen Gleichstrom-Konzept des Wmd- energieparks wird die Energie über eine Gleichstrom-Leitung bis zum Wechselrichter der netzseitigen Stromrichterstation übertragen, dessen Standort wiederum so bestimmt werden kann, daß die gesamte zur Verfugung stehende Wmdenergieleistung in ein regionales Versorgungsnetz übertragen werden kann und sich gleichzeitig ein preisliches Optimum ergibt. Außerdem weist jede Wmdenergieanlage eine Leistungεregelung auf, die schnell ist, weil sie über den Steuerwinkel des Gleich¬ richters wirkt . Durch die Verschaltung der Windenergieanlagen im Gleichstrom-Zwischenkreiε wird die Interferenz der Emzel- Flicker im Gleichstromkreis und nicht im regionalen Versor¬ gungsnetz stattfinden. Weil der Wechselrichter der netz¬ seitigen Stromrichterstation eine zentrale Energieuber- gabestelle zum regionalen Versorgungsnetz darstellt und eine Drehstromspannungεregelung besitzt, wird der Flicker prak¬ tisch ausgeregelt. Außerdem kann das erfindungsgemäße Gleich¬ strom-Konzept eines Windenergieparks bei einer niedrigeren Kurzschlußleiεtung am Emεpeiseort als die vergleichbaren Drehstrom-Konzepte betrieben werden.
Außerdem wird durch das erfindungsgemaße Konzept für einen Windenergiepark die zentrale Drehstrom-Spannungεregelung des Windenergieparks mit den schnellen dezentralen Windenergie¬ anlagen-Leistungsregelungen kombiniert, wodurch den Energie- versorgungsunternehmen eine erhebliche Verbesserung der Qualität der Energieeinspeisung aus Windenergieparks geboten wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemaßen Windenergieparkε ist zwischen dem gleichstromεeitig parallel geschalteten Windenergieanlagen und der netzseitigen Strom¬ richterstation eine Gleichstrom-Übertragungseinrichtung geschaltet. Durch diese Gleichstrom-Übertragungseinrichtung kann die netzseitige Stromrichterstation direkt an einem Umspannwerk eines regionalen Versorgungsnetzes errichtet werden, so daß die gesamte zur Verfugung stehenden Wind¬ energieleistung in das regionale Versorgungsnetz eingespeist werden kann. So erhöht sich der Wirkungsgrad eines Wind¬ energieparks wesentlich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen Windenergieparks weist jede Windenergieanlage einen Rotor mit verstellbaren Rotorblättern und eine Dreh- zahlregelüng auf . Mittels dieser Drehzahlregelung wird erreicht, daß das Aggregat Rotor-Generator an der obersten erlaubten Leistungsgrenze (Maximalspannung) arbeitet, womit der Leistungs-Regelbereich jeder Wmdenergieanlage optimal ausgenutzt werden kann. Die Drehzahlregelung wirkt über die Rotorblattverstellung, wobei em Drehzahl-Sollwert aus der Windgeschwindigkeit generiert wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Windenergieparks smd den Unteranspruchen 4 bis 15 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung bezug genommen, in der eine vorteilhafte Ausführungsform des erfmdungsgemaßen Windenergieparks εchematiεch veranschau¬ licht ist.
FIG 1 zeigt em erstes bekanntes Konzept eines Windenergie- parks,
FIG 2 zeigt em zweites bekanntes Konzept eines Wind- energieparks, m FIG 3 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungs- gemaßen Konzeptes eines Windenergieparks dargestellt, in
FIG 4 wird die maximale Wmdenergieleistung in Abhängigkeit von der Wmdenergiepark-Entfernung zum Umspannwerk eines regionalen Versorgungsnetzes dargestellt, die FIG 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Leistungsregelung und eine Drehzahlregelung einer
Wmdenergieanlage, wobei die FIG 6 em Blockschaltbild einer Regelanordnung der netz¬ seitigen Stromrichterstation veranschlaulicht, die FIG 7 zeigt m einem Diagramm den Leistungs-Regelbereich einer Wmdenergieanlage und die
FIG 8 zeigt in einem Diagramm den Wmdenergiepark- Multiterminalbetrieb.
Die FIG 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfm- dungsgemaßen Konzeptes eines Windenergieparks 2. Dieser Wmdenergiepark 2 weist N Windenergieanlagen 4 auf. Jede Wmdenergieanlage 4 weist einen Rotor 6, dessen Rotorblatter verstellbar sind, emen Synchrongenerator 24, einen Gleich¬ richter 30 und eine Glättungsdrossel 36 auf. Der Synchron- generator 24 ist direkt mit dem Rotor 6 gekoppelt und weist zwei 30° elektrisch zueinander versetzte Statorwicklungen auf, die jeweils mit einem Teilgleichrichter des Gleich- richters 30 elektrisch leitend verbunden smd Der Rotor 6 des Synchrongenerators 24 kann eine Permanenterregung oder eine spannungsgeregelte Erregung aufweisen. Der Gleichrichter 30 ist mehrpulsig, beispielsweise 12-pulsιg, ausgeführt. Die Glättungsdrossel 36 ist beispielsweise in der positiven Aus- gangsleitung 38 angeordnet. Diese positive Ausgangsleitung 38 und eine negative Ausgangsleitung 40 smd jeweils mittels Leistungsschalter 14 von einer positiven und negativen Strom¬ schiene 42 und 44 trennbar. Mittels dieser beiden Strom- schienen 42 und 44 smd die N Windenergieanlagen 4 des Wind- energieparks 2 gleichstromseitig parallel geschaltet.
Eine netzseitige Stromrichterstation 46 ist bei dieser Dar¬ stellung des Gleichstromkonzeptes des Windenergieparks 2 direkt bei dem Umspannwerk 20 emes regionalen Versorgungs¬ netzes 22 angeordnet. Diese netzseitige Stromrichterstation 46 weist eine Glättungsdrossel 48, einen Wechselrichter 50, einen Anpaßtransformator 52 und einen Filter 28 auf. Der Wechselrichter 50 besteht ebenso wie der Gleichrichter 30 einer jeden Wmdenergieanlage 4 aus zwei Teilwechselrichtern Die Pulεigkeit des Wechselrichters 50 entspricht ebenfalls der Pulsigkeit der Gleichrichter 30. Jeder Teilwechselrichter ist mit einer Sekundärwicklung des Anpaßtransformatorε 52 elektrisch leitend verbunden, wobei dessen Primärwicklung mit einer Sammelschiene 54 des Umspannwerkeε 20 verbunden ist. An dieser Sammelschiene 54 ist außerdem das Filter 28 ange¬ schlossen. Die Glättungsdrossel 48 ist beispielsweise in der positiven Eingangsleitung 56 des Wechselrichters 50 angeord¬ net. Diese positive Eingangsleitung 56 und eine negative Eingangsleitung 58 sind mittels einer Gleichstrom-Ubertra- gungseinrichtung 60 mit der positiven und negativen Strom¬ schiene 42 und 44 der elektrisch parallel geschalteten Windenergieanlagen 4 elektrisch leitend verbunden. Die Gleichstrom-Ubertragungseinnchtung 60, die zwei Gleich- εtromleitungen oder em Gleichstromkabel sein kann, kann mittels nicht naher dargestellter Leistungsschalter 14 freigeschaltet werden. Bei dieser Konzeptdarstellung wurde auf die Veranschaulichung von Einrichtungen 62 zur Leistungs¬ regelung der Windenergieanlagen 4 und einer Regelanordnung 102 der netzseitigen Stromrichterstation 46 aus Übersicht¬ lichkeitsgründen verzichtet. Die zugehörigen Blockschalt- bilder dieser Einrichtung 62 zur Leistungsregelung und dieser Regelanordnung 102 sind in den FIG 5 und 6 dargestellt.
In der Darstellung der FIG 4 wird das bekannte Konzept gemäß FIG 2 und das erfindungsgemäße Konzept gemäß FIG 3 eines Windenergieparks 2 hinsichtlich der maximalen Windenergie¬ leistung verglichen. Wie bereits eingangs erwähnt, hängt die im regionalen Versorgungsnetz 22 einzuspeisende Energie von der Entfernung zwischen den Windenergieanlagen 4 und der Ein¬ speisestelle ab. Im oberen Teil dieser Darstellung ist das bekannte Drehstromkonzept veranschaulicht. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß die einzuspeisende Energie ungefähr 1,5 MW beträgt, wobei die Windenergieanlagen 4 des Wind¬ energieparks 2 von der Einspeisestelle 8 km entfernt ist. Im unteren Teil dieser Darstellung ist das erfindungsgemäße Gleichstrom-Konzept veranschaulicht. Dabei sind zwei
Varianten dieses Gleichstrom-Konzepts dargestellt. Bei der ersten Variante ist die netzεeitige Stromrichterεtation 46 des Windenergieparks 2 mittig zwischen den Windenergieanlagen 4 und der Einspeisestelle angeordnet. Dabei ist die netzsei- tige Stromrichterstation 46 gleichstromseitig mittels einer Gleichstrom-Übertragungseinrichtung 60 mit den gleichstrom- seitigen parallel geschalteten Windenergieanlagen 4 und wechselstromseitig mittels einer Drehstromleitung 18 mit der Einspeisestelle verbunden. Bei der zweiten Variante ist die netzseitige Stromrichterstation 46 des Windenergieparkε 2 direkt an 'die Einεpeisestelle angeordnet. Die einzuspeisende Energie beträgt bei der ersten Variante ungefähr 2,86 MW und bei der zweiten Variante 6 MW. D.h., mit der zweiten Variante des Gleichstrom-Konzeptes eines Windenergieparks 2 kann annähernd die vierfache Leistung in ein regionales Versor¬ gungsnetz 22 eingespeist werden als mit dem bekannten Dreh- εtrom-Konzept eines Windenergieparks 2 gemäß FIG 2. Somit steigt auch der Wirkungsgrad annähernd um den Faktor 4.
Die FIG 5 zeigt das Ersatzschaltbild mit einer Windenergie- anläge 4 des Windenergieparks 2 nach FIG 3 mit seiner zuge¬ hörigen Einrichtung 62 zur Leistungsregelung und einer Dreh¬ zahlregelanordnung 64. Diese Einrichtung 62 zur Leistungs¬ regelung weist einen Sollwertgeber 66 mit einem vorgeschalte¬ ten Leistungssollwertgeber 68 und einer nachgeschalteten Vektorregeleranordnung 70, dem eine Steuereinrichtung 72 nachgeschaltet ist, auf. Der Sollwertgeber 66 erhalt als Eingangssignal einen Leistungs-Sollwert Po_r des vorge¬ schalteten Leistungssollwertgebers 68 und einen Gleichspan- nungs-Istwert Ud_r . Aus diesen Werten Po_r und Ud_r wird mittels des Sollwertgebers 66 em Sollwertepaar Io_r und Uo_r für Strom und Spannung des Gleichrichters 30 der Wmdenergie¬ anlage 4 ermittelt. Der Sollwertgeber 66 weist zwei Kenn- liniengeber 74 und 76 auf. Die für den Spannungs-Sollwert Uo_r gewählte Kurve des ersten Kennlmiengebers 74 zeigt die VDVOC-Charakteristik (Voltage-Dependent-Voltage-Order-
Characteristic) , wobei am oberen Ende für den Bereich des stationären Betriebes als charakteristisches Merkmal em bogenförmiger Verlauf vorgesehen ist. Der untere Bereich der Kennlinie ist spannungsbegrenzend ausgebildet. Die Kennlinie des zweiten Kennlmiengebers 76 für den Strom-Sollwert Io_r weist im wesentlichen eine VDCOL-Charakteristik (Voltage- Depended-Current-Order-Limitation) , d.h. spannungsabhangige Strombegrenzung, auf. Die Vektorregleranordnung 70 weist zwei Vergleicher 78 und 80, einen Addierer 82 und em Regelglied 84 auf. Das gebildete Sollwertepaar Uo_r, Io_r wird dieser Vektorregleranordnung 70 zugeführt und dort mit einem ermittelten Istwertepaar Ud_r, Id_r mittels der beiden Vergleicher 78 und 80 verglichen. Die gebildeten Regelabwei¬ chungen für Strom und Spannung werden mittels des Addierers 82 aufsummiert . Dieses Summensignal wird dem Regelglied 84 zugeführt, an dessen Ausgang ein Steuersignal für die Steuer- einrichtung 72 des Gleichrichters 30 der Windenergieanlage 4 ansteht .
Der Leistungssollwertgeber 68, der einen Leistungssollwert Po_r in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit V generiert, weist eingangsseitig einen Funktionsgeber 86 und einen Rampengeber 88 auf. Mittels des Funktionsgebers 86 wird aus der Windgeschwindigkeit V ein Leistungs-Sollwert Po_r generiert. Der Gradient der Leistungs-Sollwertanderung wird von einer Rampe des Rampengebers 88 bestimmt.
Die Drehzahlregleranordnung 64 weist eingangsseitig einen Funktionsgeber 90 mit nachgeschalteten Rampengebern 92 und eine Drehzahlregeleinrichtung 94 auf. Diese Drehzahlregel- einrichtung 94 besteht aus einem Vergleicher 96 und einem Drehzahlregler 98 mit nachgeschalteter Rotorblattregelung 100. Der Vergleicher 96 vergleicht einen ermittelten Rotor- drehzahl-Istwert n mit einem generierten Rotordrehzahl-Soll¬ wert n_o . Dieser Drehzahl-Sollwert n_o wird windgeschwmdig- keitsabhangig vom Funktionsgeber 90 geliefert. Der Gradient der Drehzahl-Sollwertanderung wird von einer Rampe des Rampengebers 92 bestimmt. Am Ausgang des Drehzahlreglers 98 steht em Soll-Signal für die Rotorblattregelung 100 an. Am Ausgang dieser Rotorblattregelung 100 steht ein Steuer-Signal für den Verstellmechanismus der Rotorblatter an, wodurch die Rotorblatter derart verstellt werden, daß die mittels des Vergleichers 96 ermittelte Rotordrehzahl-Regelabweichung zu Null wird.
Die FIG 6 zeigt daε Erεatzschaltbild der netzseitigen Strom¬ richterstation 46 des Windenergieparks 2 gemäß FIG 3 mit seiner zugehörigen Regelanordnung 102. Diese Regelanordnung 102 weist eine Einrichtung 104 zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes Po_ι, eine Einrichtung 106 zur Ermitt- lung eines Loschwinkel-Zusatz-Sollwertes γo_add, einen Soll¬ wertgeber 108, eine Vektorregleranordnung 110 und eine Steuereinrichtung 72 auf. Diese Regelanordnung 102 ist analog W
12 zu dem der Einrichtung 62 zur Leistungεregelung einer Wmd¬ energieanlage 4 aufgebaut. Eine weitere Beschreibung dieser Regelanordnung 102 erübrigt sich daher. Unterschiede liegen in der Anzahl der dem Sollwertgeber 108 zugefuhrten Werte, den Kennlinien der beiden Kennliniengeber 112 und 114 und der Einrichtung 104 zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes Po_ι . Aufgrund der Varianz der Eingangsgroßen (Spannungs-Ist¬ wert Ud_ι , Leistungs-Istwert Pd_ι, Leiεtungs-Sollwert Po_ι, Loschwinkel-Sollwert γo, Loschwmkel-Istwert γ, Steuerwinkel ß) muß die Kennlinie, insbesondere die VDVOC-Charakteristik des Kennlmiengebers 112 in seiner Hohe im Endbereich und m seiner Neigung vorgebbar sein. Auch die VDCOL-Charakteristik des Kennlmiengebers 114 ist einstellbar. Wesentlichen für den zweiten Sollwertgeber 108 ist, daß auch em Loschwinkel- Sollwert γo vorgegeben ist, der einzuhalten ist. Das erzeugte Sollwertepaar Uo_ι , Io_ι wird mittels zweier Vergleicher 78 und 80 mit einem ermittelten Istwertepaar Ud_ι, Id__ι ver¬ glichen. Die gebildeten Regelabweichungen werden mittels des Addierers 82 voneinander subtrahiert, da der Spannungs-Soll- wert Uo_ι des Sollwertepaares Uo_ι , Io_ι am invertierenden
Eingang des Vergleichers 78 ansteht. Das Differenzsignal wird dem nachgeschalteten Regelglied 84 zugeführt, an dessen Ausgang ein Winkelsignal für die Steuereinrichtung 72 αei netzseitigen Stromrichterstation 46 ansteht. Mittels diesem Winkelεignal wird die Differenz der Regelabweichung für Strom und Spannung zu Null geregelt.
Die Einrichtung 104 zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes Po_ι weist ein Verzogerungsglied 116 erster Ordnung mit einer oberen und einer unteren Grenze auf. Dieser Einrichtung 104 wird ein Ermittelter Leistungε-Istwert Pd_ι und em oberer und unterer Leistungs-Grenzwert Pgo_ι und Pgu_ι zugeführt. Am Ausgang dieser Einrichtung 104 steht ein Leistungε-Sollwert Po_ι an. Diese Regelanordnung 102 weist eine Einrichtung 106 zur Ermittlung eines Loschwinkel-Zusatz-Sollwertes γo_add auf. Diese Einrichtung 106 weist eingangsseitig einen Vergleicher 118 und ausgangsseitig einen PI-Regler 120 auf. Mittels dieses Vergleichers 118 wird in Abhängigkeit eines Drehspan- nungs-Sollwertes Uo_ac und eines ermittelten Drehspannungε- Istwerteε Uac eine Drehspannungs-Regelabweichung ermittelt, die dem nachgeschalteten PI-Regler 120 zugeführt wird. Am Ausgang dieses PI-Reglers 120 steht em Loschwinkel-Zusatz- Sollwert γo_add an. Damit der Loschwinkel γo über den Soll¬ wertgeber 108 nur innerhalb eines vorbestimmten Bereiches verändert werden kann, ist der PI-Regler 120 mit einem unteren Grenzwert Null und einem oberen Grenzwert maxγo_add versehen. Der Loschwinkel-Sollwert γo setzt sich aus einem minimalen Loschwinkel-Sollwert γo_mιn und dem ermittelten Loschwmkel-Zusatz-Sollwert γo_add, wobei em Addierer 122 vorgesehen ist .
Diese in der FIG 5 beschriebene Einrichtung 62 zur Leiεtungs- regelung einer Wmdenergieanlage 4 eines Wmdenergieparks 2 und der FIG 6 der beschriebenen Regelanordnung 102 der netz¬ seitigen Stromrichterstation 46 eines Wmdenergieparks 2 smd aus der alteren deutschen Patentanmeldung mit dem Akten¬ zeichen 195 44 777.8 und dem Titel "Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von n Stromrichterstationen eines HGU-Mehrpunkt- netzes" bekannt. In dieser alteren deutschen Patentanmeldung sind die Einrichtung 62 zur Leistungsregelung und die Regel¬ anordnung 102 und ihre Wirkungsweise ausführlich beschrieben, εo daß an dieser Stelle darauf verzichtet werden kann.
In der FIG 7 ist in einem Diagramm Gleichspannung Ud- Glei chst rom Id der Leistungs -Regelbereich einer Wmdenergie¬ anlage 4 eines Wmdenergieparks 2 gemäß FIG 3 dargestel l t . Das Aggregat , bestehend aus Rotor 6 und Generator 24 , einer Wmdenergieanlage 4 hat eine wmdgeschwindigkeitsabhangige " obere " und " untere " Lei stungsbegrenzung . Die obere Lei stungsbegrenzung ist von der Maximal Spannung best immt , die das Aggregat an der Generatorklemme zur Verfugung stellen kann. Die untere Leistungsbegrenzung ist vom Maximalstrom bestimmt .
Die wmdgeschwmdigkeitsabhangigen oberen und unteren
Leistungsbegrenzungen werden "gleichgerichtet" als Gleich¬ stromgroßen im Ud/Id-Diagramm dargestellt. Sie bestimmen den Leistungs-Regelbereich der Wmdenergieanlage 4. Die Charakteristik des Leistungsreglers im Ud/Id-Diagramm ist em Hyperbel, die für hohe Spannungen von der oberen Leistungε- begrenzung (Maximalspannung) und für niedrige Spannung von der unteren Leistungsbegrenzung (Maximalström) limitiert wird.
Die Leiεtungεregelung lεt eine kombinierte Spannungε-/Strom- Regelung und wirkt über den Steuerwinkel des Gleichrichters. Die Kennliniengeber 74 und 76 des Sollwertgeberε 66 der Einrichtung 62 zur Leistungsregelung sind so abgestimmt, daß das nachgeschaltete Regelglied 84 im normalen Arbeitsbereich der Leistungshyperbel und bei reduzierter Spannung der unteren Leistungsbegrenzung im Ud/Id-Diagramm folgt. Der Leistungs-Regelbereich der Wmdenergieanlage 4 kann optimal ausgenutzt werden, wenn das Aggregat - Rotor 6, Genera¬ tor 24 - an der oberen erlaubten Leistungεbegrenzung (Maximalspannung) arbeitet. Die Maximalspannung wird mit der Drehzahlregelung 64 erreicht, die über die Rotorblattverstel¬ lung wirkt .
Die Regelanordnung 102 gemäß FIG 6 ist für die netzseitige Stromrichterstation 46 deε Wmdenergieparks 2 gemäß FIG 3 eine Widerstandsregelung mit überlagerter Drehstrom-Span¬ nungsregelung, die über den Steuerwinkel des Wechselrichters 50 wirkt . Die überlagerte Drehstrom-Spannungsregelung ändert den Loschwinkel-Sollwert γo so, daß die unterlagerte Wider- Standsregelung den Arbeitspunkt auf der Leistungshyperbel ansteuert, für den auch die Drehstrom-Spannung geregelt wird. Die schnelle, über den Steuerwinkel wirkende Drehstrom-Span- nungsregelung kann ergänzt werden mit einer langsamen Stufen- schalterregelung, für den Anpaßtransformator 52, die eine grobe Drehstrom-Spannungsregelung vornimmt . Sie ist eine ideelle Leerlaufgleichspannungε-Regelung. Dabei wird der Sollwert der Stufenεchalterregelung über einen Zuεatzwert εo verändert, daß die über Steuerwinkel wirkende Regelung mog- lichst immer unbegrenzt und in der Mitte deε Steuerbereiches αmax_ι und ctmιn_ι arbeiten kann.
Die FIG 8 zeigt beispielhaft einen Wmdenergiepark-Multi- termmalbetrieb. Der Widerstandsregler mit der überlagerten Drehstrom-Spannungsregelung bestimmt den Arbeitεpunkt AW für den Wechselrichter 50 der netzseitigen Stromrichterstation 46, für den die zu übertragende Leistung P_wr und die Dreh- ström-Spannung eingehalten werden. Die Arbeitspunkte AG1, AG2 und AG3 der Gleichrichter 30 der Windenergieanlagen 4 ergeben sich aus der Topologie des Gleichstrom-Systems (Kirch¬ hoff 'sehe Gesetz, Maεchengleichung und Energieerhaltungssatz) und dem Wirken der Wmdenergieanlagen-Leistungsregelung automatisch Die Wmdenergieanlagen-Leistungsregler suchen die Arbeitspunkte AG1, AG2 und AG3 auf deren Leistungshyper¬ beln, die die obengenannten Gesetze einhalten.
Dieses erfindungsgemaße Gleichstromkonzept für einen Wmd- energiepark 2 reduziert nicht nur die Anzahl der Komponenten (anstelle von N Wechselrichtern nur noch em Wechselrichter) , es kann zu weiteren Einsparungen fuhren, wenn die Drehεtrom- leitungen 18 zwischen Ausgang der netzseitigen Stromrichter¬ station 46 und einem Netzeinspeisepunkt durch eine Gleich- strom-Übertragungsemrichtung 60 ersetzt wird. Für eine derartige4Leistungsubertragung wäre es ratsam, die Spannung der Generatoren 24 der Windenergieanlagen 4 von ∑.Zt. 690 V auf deren sonst aus der Energieerzeugung üblichen Spannungε- werten von 6-10 kV zu erhohen. Wenn die Erde alε Ruckleiter benutzt werden darf, wird nur eine Gleichstromleitung als
Gleichstrom-Ubertragungsemπchtung 60 benotigt, wodurch sich der Preisvorteil ausbaut. Die zentrale Drehstrom-Spannungsregelung des Wmdenergieparks 2 kombiniert mit den schnellen dezentralen Windenergie- anlagen-Leistungsregelungen bieten den Energieversorgungs¬ unternehmen eine wesentliche Verbesserung der Qualität der Energieeinspeiεung aus Wmdenergieparks 2.

Claims

Patentansprüche
1. Wmdenergiepark (2) mit wenigstens zwei Windenergieanlagen (4) und einer netzseitigen Stromrichterstation (46) , wobei jede Wmdenergieanlage (4) einen Rotor (6), einen Generator (24) , einen Gleichrichter (30) , eine Glättungsdrossel (36) und eine Einrichtung (62) zur Leistungsregelung aufweist, wobei die netzseitige Stromrichterεtation (46) eine Glättungsdrossel (48) , einen Wechselrichter (50), einen Anpaßtransformator (52) , einen Filter (28) und eine Regelan¬ ordnung (102) aufweist, wobei diese Windenergieanlagen (4) gleichstromseitig elektrisch parallel geschaltet smα und wobei die netzseitige Stromrichterstation (46) gleichstrom¬ seitig mit den gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen (4) elektrisch in Reihe geschaltet ist
2. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei zwischen den gleichstromseitig parallel geschalteten Windenergieanlagen
(4) und der netzseitigen Stromrichterstation (46) eine Gleichstromubertragungsemrichtung (60) geschaltet ist.
3. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei jede Wmd¬ energieanlage (4) emen Rotor (6) mit verstellbaren Rotor¬ blattern und eine Drehzahlregelanordnung (64) aufweist
4. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (62) zur Leistungsregelung einer Wmdenergieanlage (4) einen Sollwertgeber (66) mit einem vorgeschalteten Leistungs-Soll¬ wertgeber (68) und einer nachgeschalteten Vektorregleranord- nung (70), der eine Steuereinrichtung (72) nachgeschaltet ist, aufweist, wobei dem Sollwertgeber (66) zusätzlich ein Spannungs-Istwert (Ud_r) , der Vektorregelung (70) zusätzlich em ermitteltes Istwertepaar (Id_r, Ud_r) für Strom und Spannung und dem Leistungs-Sollwertgeber (68) em Wind- geschwmdigkeits-Istwert (V) zugeführt smd und wobei am
Ausgang der Steuereinrichtung (72) em Steuersignal für den Gleichrichter (30) einer Wmdenergieanlage (4) zur Verfugung steht .
5. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei die Regelanord- nung (102) der netzseitigen Stromrichterstation (46) eine Einrichtung (104) zur Ermittlung eines Leistungε-Sollwertes (Po_ι), eine Einrichtung (106) zur Ermittlung eines Losch¬ winkel-Zusatz-Sollwertes (γo_add) , einen Sollwertgeber (108) , eine Vektorregleranordnung (110) und eine Steuereinrichtung (72) aufweist, wobei die der Einrichtung (104) zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes (Po_ι) em ermittelter Leistungs- Istwert (Pd_ι) und ein oberer und unterer Leiεtungε-Grenzwert (Pgo_ι, Pgu_ι ) , dem Sollwertgeber (108) em Leistungs-Soll- und -Istwert (Po_ι, Pd_ι) , ein Loschwmkel-Soll- und -Istwert (γo, γ) , ein Spannungs-Istwert (Ud_ι) und em Steuersignal (ß) , der Vektorregleranordnung (110) em ermitteltes Istwertepaar (Id_ι, Ud_ι) für Strom und Spannung und der Einrichtung (106) zur Ermittlung eines Loschwinkel-Zusatz- Sollwertes (γo_add) , em Drehspannungs-Soll- und -Istwert (Uo_ac, Uac) zugeführt smd und wobei am Ausgang der
Steuereinrichtung (72) ein Steuersignal für den Wechsel¬ richter (50) der netzseitigen Stromrichterstation (46) zur Verfugung steht .
6. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 4, wobei der Leistungs- Sollwertgeber (68) der Einrichtung (62) zur Leistungsregelung einer Wmdenergieanlage (4) einen Funktionsgeber (86) mit nachgeschaltetem Rampengeber (88) aufweist.
7. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der
Sollwertgeber (66,108) zwei Kennlmiengeber (74, 76 ; 112 , 114) für das Sollwertepaar (Uo_r, Io_r;Uo_ι, Io_ι) für Strom und Spannung aufweist .
8. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die
Vektorregleranordnung (70,110) zwei Vergleicher (78,80) , ein Addierglied (82) und em Regelglied (84) aufweist, wobei jeweils em Auεgang eineε Vergleicherε (78,80) mit dem Addierglied (82) verknüpft ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Regelgliedes (84) verbunden ist.
9. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (104) zur Ermittlung eines Leistungs-Sollwertes (Po_ι) der Regelanordnung (102) des Wechselrichters (50) der netz¬ seitigen Stromrichterstation (46) ein Verzogerungsglied (116) erster Ordnung mit einer oberen und unteren Grenze (Pgo_ι, Pgu_ι) aufweist.
10. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung (106) zur Ermittlung eines Loschwinkel-Zusatz- Sollwertes (γo_add) der Regelanordnung (102) des Wechsel- πchters (50) der netzseitigen Stromrichterstation (46) einen Vergleicher (118) mit nachgeschalteten PI-Regler (120) aufweist, wobei am nichtmvertierenden Eingang des Vergleichers (118) em Drehspannungs-Sollwert (Uo_ac) , an seinem invertierenden Eingang ein Drehspannungs-Istwert (Uac) und am Ausgang des PI-Reglers (120) der Loschwinkel-Zusatz- Sollwert (γo_add) anstehen.
11. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 3, wobei die Drehzahl¬ regelanordnung (64) eingangsseitig einen Funktionsgeber (90) mit nachgeschalteten Rampengeber (92) aufweist, dem eine
Drehzahlregeleinrichtung (94) bestehend aus einem Vergleicher (96) und einem Drehzahlregler (98) , mit nachgeschalteter Rotorblatt-Regelung (100) nachgeschaltet ist, wobei dem Vergleicher (96) der Drehzahlregeleinrichtung (94) em Rotor- drehzahl-Soll- und -Istwert (n_o, n) zugeführt ist.
12. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 2, wobei als Gleich- εtrom-Ubertragungεemπchtung (60) eine Gleichεtromleitung vorgesehen ist .
13. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 3, wobei als Gleich- strom-Ubertragungseinrichtung (60) im Gleichstromkabel vor¬ gesehen ist.
14. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei als Generator (24) eine Synchronmaschine vorgesehen ist.
15. Wmdenergiepark (2) nach Anspruch 1, wobei die Synchron¬ maschine zwei 30°el zueinander versetzte Standerwicklungen aufweist .
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