EP2890890A1 - Windpark mit gleichspannungsnetz - Google Patents

Windpark mit gleichspannungsnetz

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EP2890890A1
EP2890890A1 EP13756074.4A EP13756074A EP2890890A1 EP 2890890 A1 EP2890890 A1 EP 2890890A1 EP 13756074 A EP13756074 A EP 13756074A EP 2890890 A1 EP2890890 A1 EP 2890890A1
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EP
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voltage
wind
electrical
network
direct
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Withdrawn
Application number
EP13756074.4A
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English (en)
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Inventor
Alfred Beekmann
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Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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—ELECTRIC POWER NETWORKS; 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
    • H02J3/04—Arrangements for connecting networks of the same frequency but supplied from different sources
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; 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 high-voltage DC [HVDC] links; Arrangements for transfer of electric power between generators and networks via HVDC links
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
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    • 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 present invention relates to a wind farm for generating electrical energy from wind and for feeding electrical energy generated in an electrical supply network. Moreover, the present invention relates to a method for feeding electrical energy that is generated in a wind farm with multiple wind turbines. It is generally known to generate electrical energy from wind by wind turbines, in which case generating is used in the sense that energy from the wind is converted into electrical energy. Frequently several wind turbines are grouped in a wind farm. Such a wind farm then has a common feed point for feeding electrical energy into an associated electrical supply network. All wind turbines in the park then feed electrical energy into the electrical supply network via this common feed-in point.
  • feed-in takes place, for example, in such a way that each wind energy plant supplies its electrical power as an electrical alternating current with a frequency, voltage amplitude and phase adapted to the electrical supply network.
  • the thus provided streams of several wind turbines are superimposed at the common feed point or shortly before and can then be fed together into the electrical supply network.
  • the present invention is therefore based on the object to reduce the above-mentioned disadvantages as possible.
  • the power loss in the park should be reduced, thereby increasing the efficiency of the wind farm.
  • At least an alternative solution should be proposed.
  • a wind farm according to claim 1 is proposed.
  • Such a wind farm is prepared for generating electrical energy from wind and comprises at least two wind turbines for generating the electrical energy and a common feed device for feeding the generated electrical energy into a connected electrical supply network. It may also, in particular temporarily, be provided that only a portion of the generated or generated electrical energy is fed into the electrical supply network, if, for example, offered for reasons of support of the electrical supply network and / or due to specifications of the operator of the electrical supply network is. Otherwise, for the basic explanation of the invention any power loss is neglected. In order to explain the basic understanding, it is thus assumed that the generated electrical power can also be fed into the supply network on average. Insofar as it depends on power loss, they are specifically mentioned.
  • the wind turbines are then connected to the feed device via an electrical DC voltage network, which can also be referred to as DC voltage parking system.
  • the wind turbines thus conduct their electrical energy or their electrical power, if an instantaneous state is considered, as a direct electrical current into the direct current network and this direct current, or these direct currents of all the wind turbines concerned together, or is passed to the feed device.
  • the feed device now receives the entire electrical power of the wind farm and can feed these into the electrical supply network. This could also be spoken by a feed of electrical direct current in the electrical DC parking network, the feed device then takes the electrical power from the electrical Gleichthesesparknetz. Around To avoid confusion with the electrical supply network, but the term of the introduction into the DC voltage network is chosen here.
  • the DC voltage of the DC voltage network is 1 to 50 kV, in particular 5 to 10 kV. This refers to the voltage between two lines in a bipolar topology.
  • the wind turbines already initiate their power with a correspondingly high voltage, namely with a medium voltage in the direct current network of the wind farm.
  • a correspondingly high voltage in the DC network of the wind farm transmission losses can be reduced.
  • the voltage is already available with a certain amplitude at the common supply device and it may thereby possibly be saved a transformer for stepping up electrical voltage in the power grid of the wind farm. It can thus be worked in the feed with a medium-voltage inverter, or the common feed device may be a medium-voltage inverter, which requires a lower material usage due to higher voltage and possibly make a medium-voltage transformer superfluous.
  • At least one of the wind turbines but in particular all wind turbines of the wind farm, a generator, a rectifier and a boost converter.
  • the generator is coupled to an aerodynamic rotor of the wind turbine and can thereby generate from the wind electrical power, which he provides as an electrical alternating current.
  • the alternating electrical current is rectified with the rectifier in a first direct current with a first DC voltage.
  • this first direct current with the first DC voltage is set high in a second DC current with a second DC voltage and the second DC voltage is thus higher than the first DC voltage.
  • the second DC voltage is then preferably introduced into the DC network of the wind farm.
  • the boost converter thus serves, on the one hand, to increase the first DC voltage, namely to the voltage amplitude provided in the DC voltage network.
  • the boost converter can fulfill the function of providing as constant a second DC voltage as possible.
  • the first DC voltage may possibly fluctuate depending on wind fluctuations and, for example, assume a lower value in a weak wind than in a stronger wind, in particular as a rated wind.
  • the rectifier is located in the vicinity of the generator, in particular in the nacelle of the wind turbine, and the generated first direct current is then through a tower or the like of the wind turbine to a tower base or similar down the wind turbine where the boost converter is arranged.
  • This ensures that a DC voltage transmission can be used to direct the electrical power from the nacelle to the tower base or the like.
  • the high medium voltages can be avoided in any case at the level in which they are provided in the DC network of the wind farm.
  • At least one of the wind turbines each have a synchronous generator for generating one or the alternating electric current.
  • a synchronous generator can reliably generate alternating electrical current and provide it to a rectifier.
  • the synchronous generator is designed as a ring generator, thus has its electromagnetically active elements only on an outer third or even further outside.
  • such a synchronous generator may be equipped with a high number of poles, such as with 48, 72, 96 or 144 poles.
  • a gearless design in which a rotor of the generator is driven directly by an aerodynamic rotor, namely without intermediate gear, and then directly generates alternating current, which is supplied to the rectifier.
  • a synchronous generator with six phases, so be provided with two times three phases.
  • Such a 6-phase alternating current can be rectified more easily with lower harmonics, or smaller filters may be sufficient.
  • the wind turbines are designed variable speed, therefore, therefore, the speed of the aerodynamic rotors can be continuously adjusted to the prevailing wind speed.
  • the feed device has an inverter connected to the direct voltage network or the feed device is an inverter.
  • This inverter generates the electrical alternating current for feeding into the electrical supply network.
  • a medium voltage inverter is used here.
  • a transformer for increasing the alternating voltage generated by the feed device is provided between the feed device and the electrical supply network.
  • a medium-voltage inverter can be dispensed with a medium-voltage transformer here.
  • a high-voltage transformer is particularly suitable when a medium voltage Inverter already generates an alternating current with a medium voltage, in particular with a voltage of 5 to 10kV, and / or if a medium-voltage transformer is used, which generates the highest possible medium voltage of up to 50kV.
  • a method for feeding electrical energy into an electrical supply network is also proposed. Accordingly, electrical alternating current is generated by means of a generator of a wind turbine and rectified by means of a rectifier in a first direct current with a first DC voltage. This first DC voltage can vary in amplitude. This first DC current with the first DC voltage is then boosted by means of a boost converter into a second DC current with a second DC voltage. This second DC voltage is in particular higher in amplitude than the first DC voltage and the voltage in the DC voltage network, ie the common DC voltage network in the wind farm adapted.
  • This second direct current with the second DC voltage is introduced accordingly into the DC voltage network.
  • Gleichwoodsparknetz this introduced energy to a common inverter, which can also be called a parking inverter, provided, which exchanges these provided as direct current power and fed as AC power in the electrical supply network.
  • first direct current, first direct current and second direct current are to be understood here as systematic terms and the first direct current, the first direct current and the second direct current may be different in their amplitude from wind turbine to wind turbine. Even if identical wind turbines are used, the values may differ, e.g. depending on the prevailing wind and / or the position of the respective wind turbine in the wind farm.
  • the second DC voltage should be the same in all wind turbines in any case as a first approximation and correspond to the DC voltage in the DC voltage grid.
  • Fig. 1 shows a wind turbine to be used in a wind turbine schematically in a perspective view.
  • Fig. 2 shows schematically a wind farm.
  • FIG. 1 shows a wind turbine 100 with a tower 102 and a nacelle 104.
  • An aerodynamic rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 1 10 is arranged on the nacelle 104.
  • the rotor 106 is set in rotation by the wind in rotation and thereby drives a generator in the nacelle 104 at.
  • Fig. 2 shows a wind farm 1, which has two wind turbines 2 by way of example, one of which is provided with further details, which were not shown for the sake of simplicity in the other and may possibly be different.
  • Both wind turbines 2 are each connected to a common inverter 8 via a DC voltage line 4 and a DC bus 6.
  • the common inverter 8 generates from the DC voltage or the direct current of the busbar 6 at its output 10 an alternating current with an alternating voltage and feeds it via a transformer 12, which is designed here as a medium voltage transformer in an electrical supply network 14 a.
  • the wind turbine 2 has an aerodynamic rotor 16, which is rotated by the wind, thereby rotating a rotor of a synchronous generator 18, so that the synchronous generator 18 generates an alternating current and supplies it to the rectifier 20.
  • the rectifier 20 is arranged in the nacelle 22 of the wind turbine 2 and generates there a first direct current with a first direct voltage.
  • the first direct current with the first DC voltage is conducted by means of a direct current connection line 24 from the nacelle 22 through the tower 26 to the tower base 28.
  • the DC link 24 can therefore also be called the DC tower line.
  • the DC link 24 is coupled to a boost converter 30.
  • the boost converter 30 transforms the first direct current with the first alternating voltage into a second direct current with a second direct voltage. This second direct current with the second DC voltage is at the output 32 of the Step-up converter 30 output and passed over the one DC voltage line 4 to the bus bar 6.
  • the first DC voltage of the first DC current which occurs at the DC link 24 and DC tower line 24 and thus at the output of the rectifier 20, is about 5kV.
  • the DC voltage which is applied to the DC voltage line 4 or DC voltage connection 4 to the busbar 6, preferably has a value of 5 to 10 kV. Accordingly, this value is also applied to the busbar 6 and thus to the input of the common inverter 8. Accordingly, in the example shown, the common inverter 8 is designed for the transformation of a DC voltage of 5 to 10 kV.
  • the common inverter 8, which is thus essentially a feed device, is thus designed as a medium-voltage inverter.
  • an inverter can be saved in each of the wind turbines 2.
  • the common inverter 8 used can, in particular when using a medium-voltage inverter, as is also proposed in the shown Fig. 2, be operated with higher efficiency than would be possible for many individual inverters with lower voltage.
  • Fig. 2 shows a total of two wind turbines 2, which only indicates that several wind turbines 2 are present in the wind farm 1.
  • such a wind farm has more than two wind turbines 2, in particular it has 50 wind turbines or more, all of which are connected to the busbar 6 via a DC voltage line 4.
  • the entirety of the DC voltage line 4 can thus also be referred to as DC voltage network 4 or simply DC network 4 in the park.
  • the DC voltage network 4 thus does not need to establish a direct connection between individual wind turbines, but there may be an indirect connection, such as e.g. via the bus bar 6 as shown in FIG.
  • the electrical supply network 14 can be dispensed with the medium-voltage transformer 12.
  • the entire electrical power generated by the wind turbines 2 is provided in the DC voltage network 4 with the highest possible voltage and then fed as efficiently as possible with the common inverter 8 in the electrical supply network 14.
  • any possible to address future network requirements may be, for example, that a park must react very deterministically to certain states in the electrical supply network, or that it must react in a particularly deterministic and clearly predetermined manner to requirements of the network operator of the electrical supply network. Such requirements can also be given very suddenly by appropriate signals.
  • the wind farm 1 can occur in the sense of a wind farm power plant, which is perceived by the electrical supply network only as a large power generator. Any differences between the wind turbines 2 in the park 1 do not affect or not essential to the electrical supply network 14 or can not be perceived by the electrical supply network 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Windpark zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind umfassend, wenigstens zwei Windenergieanlagen zum Erzeugen der elektrischen Energie und eine gemeinsame Einspeisevorrichtung zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie, oder eines Teils davon, in ein elektrisches Versorgungsnetz, wobei die Windenergieanlagen mit der Einspeisevorrichtung über ein elektrisches Gleichspannungsnetz verbunden sind, um mit der jeweiligen Windenergieanlage erzeugte elektrische Energie mittels elektrischen Gleichstroms an die Einspeisevorrichtung zu leiten.

Description

WINDPARK MIT GLEICHSPANNUNGSNETZ Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windpark zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind und zum Einspeisen erzeugter elektrischer Energie in ein elektrisches Versorgungsnetz. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie, die in einem Windpark mit mehreren Windenergieanlagen erzeugt wird. Es ist allgemein bekannt, durch Windenergieanlagen elektrische Energie aus Wind zu erzeugen, wobei hier Erzeugen in dem Sinne verwendet wird, dass Energie aus dem Wind in elektrische Energie umgewandelt wird. Häufig werden mehreren Windenergieanlagen in einem Windpark gruppiert. Ein solcher Windpark besitzt dann einen gemeinsamen Einspeisepunkt zum Einspeisen elektrischer Energie in ein damit verbundenes elektrisches Versorgungsnetz. Alle Windenergieanlagen des Parks speisen dann über diesen gemeinsamen Einspeisepunkt elektrische Energie in das elektrische Versorgungsnetz ein.
Das Einspeisen erfolgt hierbei bspw. so, dass jede Windenergieanlage ihre elektrische Leistung als elektrischen Wechselstrom mit an das elektrische Versorgungsnetz ange- passter Frequenz, Spannungsamplitude und Phase bereitstellt. Die so bereitgestellten Ströme mehrerer Windenergieanlagen werden am gemeinsamen Einspeisepunkt oder kurz vorher überlagert und können dann gemeinsam in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist werden.
Hierdurch können im Grunde beliebige Windenergieanlagen in einen Windpark zusam- men betrieben werden, weil jede Windenergieanalage ihren beigesteuerten elektrischen Strom entsprechenden Vorgaben folgend konditioniert. Es ist dann allenfalls noch eine Koordination der insgesamt bereitgestellten Leistung erforderlich.
Nachteilig ist jedoch, dass hierbei an jeder Windenergieanlage und einem internen Parknetz, das eine Kopplung der Windenergieanlagen zu den gemeinsamen Netzeinspeise- punkt schafft, Verluste auftreten können, die im Ergebnis die Gesamteffizienz des Windparks beeinträchtigen können. Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 101 45 346 A1 und DE 196 20 906 A1.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile möglichst zu verringern. Insbesondere soll die Verlustleistung im Park reduziert und damit die Effizienz des Windparks erhöht werden. Zumindest soll eine alternative Lösung vorgeschlagen werden.
Erfindungsgemäß wird ein Windpark gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Ein solcher Windpark ist zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind vorbereitet und umfasst we- nigstens zwei Windenergieanlagen zum Erzeugen der elektrischen Energie und eine gemeinsame Einspeisevorrichtung zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie in ein angeschlossenes elektrisches Versorgungsnetz. Es kann auch, insbesondere vorübergehend, vorgesehen sein, dass nur ein Teil der erzeugten oder erzeugbaren elektrischen Energie in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist wird, wenn dies bspw. aus Gründen einer Stützung des elektrischen Versorgungsnetzes und/oder aufgrund von Vorgaben des Betreibers des elektrischen Versorgungsnetzes geboten ist. Ansonsten wird zur grundsätzlichen Erläuterung der Erfindung etwaige Verlustleistung vernachlässigt. Zur Erläuterung des Grundverständnisses wird somit davon ausgegangen, dass die erzeugte elektrische Leistung im Mittel auch in das Versorgungsnetz eingespeist werden kann. Insoweit es auf Verlustleistung ankommt, werden diese konkret erwähnt.
Bei der vorgeschlagenen Lösung sind dann die Windenergieanlagen mit der Einspeisevorrichtung über ein elektrisches Gleichspannungsnetz verbunden, das auch als Gleichspannungsparknetz bezeichnet werden kann. Die Windenergieanlagen leiten somit ihre elektrische Energie bzw. ihre elektrische Leistung, wenn ein Augenblickszustand betrach- tet wird, als elektrischen Gleichstrom in das Gleichspannungsnetz ein und dieser Gleichstrom, bzw. diese Gleichströme aller betroffenen Windenergieanlagen zusammen, wird bzw. werden an die Einspeisevorrichtung geleitet. Die Einspeisevorrichtung erhält nun die gesamte elektrische Leistung des Windparks und kann diese in das elektrische Versorgungsnetz einspeisen. Hier könnte auch von einem Einspeisen elektrischen Gleichstroms in das elektrische Gleichspannungsparknetz gesprochen werden, wobei die Einspeisevorrichtung die elektrische Leistung dann aus dem elektrischen Gleichspannungsparknetz entnimmt. Um Verwechslungen mit dem elektrischen Versorgungsnetz zu vermeiden, wird hier aber der Begriff des Einleitens in das Gleichspannungsnetz gewählt.
Es wird somit vorgeschlagen, ein Gleichspannungsparknetz vorzusehen und dass die angeschlossenen Windenergieanlagen auch lediglich einen Gleichstrom mit entspre- chender Spannung in dieses Gleichspannungsparknetz einleiten. Das Einspeisen kann dann für den Park und damit für mehrere Windenergieanlagen eine einzige Einspeisevorrichtung übernehmen. Nur diese braucht einen Wechselstrom zu erzeugen, der hinsichtlich Frequenz, Spannungsamplitude und Phase an das elektrische Versorgungsnetz angepasst ist. Etwaige Anforderungen, einschließlich plötzlich geänderter Anforderungen des elektrischen Versorgungsnetzes braucht nur diese Einspeisevorrichtung zu realisieren. Auch das Erfassen des Netzzustandes braucht nur durch diese eine Einspeisevorrichtung durchgeführt werden bzw. nur diese Einspeisevorrichtung braucht entsprechende erfasste Größen spontan zu berücksichtigen. Dabei ist auch zu beachten, dass die Einspeisevorrichtung unmittelbar am Einspeisepunkt oder in dessen Nähe und damit in der Nähe des elektrischen Versorgungsnetzes angeordnet werden kann. Damit ist eine direktere Umsetzung solcher erfasster Messgrößen möglich, weil z.B. keine oder nur geringe Spannungsverluste zwischen der Einspeisevorrichtung und dem elektrischen Versorgungsnetz auftreten.
Somit brauchen auch Spannungsverluste von den jeweiligen Windenergieanlagen zum Einspeisepunkt nicht mehr bei der Einspeisung berücksichtigt zu werden. Nur die Einspeisevorrichtung braucht die Spannung des Stromsignals, das sie erzeugt, an die Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes anzupassen. Aufgrund geringerer Entfernungen zwischen dieser Einspeisevorrichtung und dem elektrischen Versorgungsnetz im Vergleich zu einer Windenergieanlage im Park zum elektrischen Versorgungsnetz kön- nen auch die Spannungsamplituden ggf. besser an die Bedürfnisse des elektrischen Versorgungsnetzes angepasst werden.
Schließlich können auch bisher benötigte Frequenzwechselrichter in den Windenergieanlagen eingespart werden. Es ist nun nur noch eine Einspeisevorrichtung notwendig. Diese eine Einspeisevorrichtung muss zwar die gesamte Leistung des Windparks umset- zen und daher entsprechend größer dimensioniert sein, kann dadurch aber mitunter mit einer höheren Effizienz, also einem geringeren relativen Leistungsverlust betrieben werden. Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Gleichspannung des Gleichspannungsnetzes 1 bis 50kV beträgt, insbesondere 5 bis 10kV. Dies bezieht sich auf die Spannung zwischen zwei Leitungen bei einer bipolaren Topologie.
Somit leiten die Windenergieanlagen ihre Leistung bereits mit einer entsprechend hohen Spannung, nämlich mit einer Mittelspannung in das Gleichspannungsnetz des Windparks ein. Durch eine solche entsprechend hohe Spannung im Gleichspannungsnetz des Windparks können Übertragungsverluste verringert werden. Außerdem steht die Spannung bereits mit einer gewissen Amplitude bei der gemeinsamen Einspeisevorrichtung zur Verfügung und es kann hierdurch ggf. ein Transformator zum Hochtransformieren elektrischer Spannung im Stromnetz des Windparks eingespart werden. Es kann somit in der Einspeisevorrichtung mit einem Mittelspannungswechselrichter gearbeitet werden, bzw. die gemeinsame Einspeisevorrichtung kann ein Mittelspannungswechselrichter sein, der aufgrund höherer Spannung einen geringeren Materialeinsatz erfordert und ggf. auch einen Mittelspannungstransformator überflüssig machen kann. Vorzugsweise weist wenigstens eine der Windenergieanlagen, insbesondere aber alle Windenergieanlagen des Windparks, einen Generator, einen Gleichrichter und einen Hochsetzsteller auf. Der Generator ist mit einem aerodynamischen Rotor der Windenergieanlage gekoppelt und kann dadurch aus dem Wind elektrische Leistung erzeugen, die er als elektrischen Wechselstrom bereitstellt. Der elektrische Wechselstrom wird mit dem Gleichrichter in einen ersten Gleichstrom mit einer ersten Gleichspannung gleichgerichtet. Mit dem Hochsetzsteller wird dieser erste Gleichstrom mit der ersten Gleichspannung in einen zweiten Gleichstrom mit einer zweiten Gleichspannung hochgesetzt und die zweite Gleichspannung ist somit höher als die erste Gleichspannung. Die zweite Gleichspannung wird dann vorzugsweise in das Gleichspannungsnetz des Windparks eingelei- tet. Der Hochsetzsteller dient somit zum Einen dazu, die erste Gleichspannung zu erhöhen, nämlich auf die im Gleichspannungsnetz vorgesehene Spannungsamplitude. Gleichzeitig kann der Hochsetzsteller die Funktion erfüllen, eine möglichst konstante zweite Gleichspannung bereitzustellen. Die erste Gleichspannung kann nämlich abhängig von Windschwankungen möglicherweise schwanken und bspw. bei schwachem Wind eine geringeren Wert annehmen, als bei stärkerem Wind, insbesondere als bei Nennwind.
Vorzugsweise ist der Gleichrichter in der Nähe des Generators, insbesondere in der Gondel der Windenergieanlage, angeordnet und der erzeugte erste Gleichstrom wird dann durch einen Turm oder ähnliches der Windenergieanlage zu einem Turmfuß bzw. ähnlichem der Windenergieanlage heruntergeleitet, wo der Hochsetzsteller angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass zum Leiten der elektrischen Leistung von der Gondel zum Turmfuß oder ähnlichem eine Gleichspannungsübertragung verwendet werden kann. Gleichzeitig können aber die hohen Mittelspannungen jedenfalls in der Höhe, in der sie im Gleichspannungsnetz des Windparks vorgesehen sind, vermieden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass wenigstens eine der Windenergieanlagen, vorzugsweise alle Windenergieanlagen des Windparks, jeweils zum Erzeugen eines bzw. des elektrischen Wechselstroms einen Synchrongenerator aufweisen. Ein solcher Synchrongenerator kann zuverlässig elektrischen Wechselstrom erzeu- gen und einem Gleichrichter bereitstellen. Vorzugsweise ist der Synchrongenerator als Ringgenerator ausgebildet, weist also seine elektromagnetisch aktiven Elemente nur auf einem äußeren Drittel oder noch weiter außen auf. Vorzugsweise kann ein solcher Synchrongenerator mit einer hohen Polzahl ausgestattet sein, wie bspw. mit 48, 72, 96 oder 144 Polen. Dies ermöglicht eine getriebelose Bauform, bei der ein Läufer des Generators unmittelbar durch einen aerodynamischen Rotor angetrieben wird, nämlich ohne zwischengeschaltetem Getriebe, und dann unmittelbar Wechselstrom erzeugt, der dem Gleichrichter zugeführt wird. Vorzugsweise kann ein Synchrongenerator mit sechs Phasen, also mit zweimal drei Phasen vorgesehen sein. Ein solcher 6-phasiger Wechselstrom kann leichter mit geringeren Oberwellen gleichgerichtet werden, bzw. es können kleinere Filter ausreichen. Vorzugsweise sind die Windenergieanlagen drehzahlvariabel ausgeführt, demnach also die Drehzahl der aerodynamischen Rotoren kontinuierlich an die jeweils vorherrschende Windgeschwindigkeit angepasst werden können.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Einspeisevorrichtung einen mit dem Gleichspannungsnetz verbundenen Wechselrichter auf bzw. die Einspeisevorrichtung ist ein Wech- selrichter. Dieser Wechselrichter erzeugt den elektrischen Wechselstrom zum Einspeisen in das elektrische Versorgungsnetz. Vorzugsweise wird hier ein Mittelspannungswechselrichter verwendet.
Günstig ist es, wenn zwischen der Einspeisevorrichtung und dem elektrischen Versorgungsnetz ein Transformator zum Erhöhen der von der Einspeisevorrichtung erzeugten Wechselspannung vorgesehen ist. Bei Verwendung eines Mittelspannungswechselrichters kann hier auf einen Mittelspannungstransformator verzichtet werden. Je nach angeschlossenem elektrischen Versorgungsnetz und der dazwischenliegenden Topologie kommt in Betracht, hier einen Hochspannungstransformator einzusetzen. Ein Hochspannungstransformator kommt insbesondere dann in Betracht, wenn ein Mittelspannungs- Wechselrichter bereits ein Wechselstrom mit einer Mittelspannung, insbesondere mit einer Spannung von 5 bis 10kV erzeugt, und/oder wenn ein Mittelspannungstransformator eingesetzt wird, der eine möglichst hohe Mittelspannung von bis zu 50kV erzeugt.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zum Einspeisen elektrischer Energie in ein elektrisches Versorgungsnetz gemäß Anspruch 7 vorgeschlagen. Demnach wird elektrischer Wechselstrom mittels eines Generators einer Windenergieanlage erzeugt und mittels eines Gleichrichters in einen ersten Gleichstrom mit einer ersten Gleichspannung gleichgerichtet. Diese erste Gleichspannung kann in der Amplitude schwanken. Dieser erste Gleichstrom mit der ersten Gleichspannung wird dann mittels eines Hochsetzstel- lers in einen zweiten Gleichstrom mit einer zweiten Gleichspannung hochgesetzt. Diese zweite Gleichspannung ist insbesondere in der Amplitude höher als die erste Gleichspannung und an die Spannung im Gleichspannungsparknetz, also dem gemeinsamen Gleichspannungsnetz im Windpark, angepasst.
Dieser zweite Gleichstrom mit der zweiten Gleichspannung wird entsprechend in das Gleichspannungsparknetz eingeleitet. Durch dieses Gleichspannungsparknetz wird diese eingeleitete Energie einem gemeinsamen Wechselrichter, der auch Parkwechselrichter genannt werden kann, bereitgestellt, der diese als Gleichstrom bereitgestellte Energie wechselrichtet und als Wechselstrom in das elektrische Versorgungsnetz einspeist.
Vorzugsweise wird das Erzeugen des elektrischen Wechselstroms, das Gleichrichten desselben in den ersten Gleichstrom, das Hochsetzen des ersten Gleichstroms in einen zweiten Gleichstrom und schließlich das Einleiten des zweiten Gleichstrom in das Gleichspannungsparknetz von mehreren Windenergieanlagen jeweils durchgeführt. Die Begriffe erster Gleichstrom, erste Gleichspannung und zweiter Gleichstrom sind hier als systematische Begriffe zu verstehen und der erste Gleichstrom, die erste Gleichspannung und der zweite Gleichstrom können in ihrer Amplitude von Windenergieanlage zu Windenergieanlage unterschiedlich sein. Selbst bei Verwendung identischer Windenergieanlagen können sich die Werte unterscheiden, z.B. abhängig des vorherrschenden Windes und/oder der Position der betreffenden Windenergieanlage im Windpark. Die zweite Gleichspannung sollte allerdings bei allen Windenergieanlagen jedenfalls in erster Näherung gleich sein und der Gleichspannung im Gleichspannungsparknetz entsprechen.
Die Erfindung wird nun im Detail anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beispielhaft näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine in einem Windpark einzusetzende Windenergieanlage schematisch in einer perspektivischen Ansicht.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Windpark.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an.
Fig. 2 zeigt einen Windpark 1 , der exemplarisch zwei Windenergieanlagen 2 aufweist, von denen eine mit weiteren Details versehen ist, die der Einfachheit halber bei der anderen nicht dargestellt wurden und ggf. auch anders ausfallen können. Beide Windenergieanlagen 2 sind jeweils über eine Gleichspannungsleitung 4 und eine Gleichspan- nungssammelschiene 6 mit einem gemeinsamen Wechselrichter 8 verbunden. Der gemeinsame Wechselrichter 8 erzeugt aus der Gleichspannung bzw. dem Gleichstrom der Sammelschiene 6 an seinem Ausgang 10 einen Wechselstrom mit einer Wechselspan- nung und speist diesen über einen Trafo 12, der hier als Mittelspannungstrafo ausgeführt ist, in ein elektrisches Versorgungsnetz 14 ein.
Die grundsätzliche Funktionsweise und die notwendigen Elemente jedenfalls gemäß einer Ausführungsform werden ausgehend von der detaillierter gezeigten Windenergieanlage 2 erläutert. Die Windenergieanlage 2 weist einen aerodynamischen Rotor 16 auf, der vom Wind gedreht wird und dabei einen Läufer eines Synchrongenerators 18 dreht, so dass der Synchrongenerator 18 einen Wechselstrom erzeugt und dem Gleichrichter 20 zuführt. Der Gleichrichter 20 ist in der Gondel 22 der Windenergieanlage 2 angeordnet und erzeugt dort einen ersten Gleichstrom mit einer ersten Gleichspannung. Der erste Gleichstrom mit der ersten Gleichspannung wird mittels einer Gleichstromverbindungslei- tung 24 von der Gondel 22 durch den Turm 26 zum Turmfuß 28 geführt. Die Gleichstromverbindungsleitung 24 kann daher auch Gleichsstromturmleitung bezeichnet werden.
Im Turmfuß 28 ist die Gleichstromverbindungsleitung 24 mit einem Hochsetzsteller 30 gekoppelt. Der Hochsetzsteller 30 transformiert den ersten Gleichstrom mit der ersten Wechselspannung in einen zweiten Gleichstrom mit einer zweiten Gleichspannung. Dieser zweite Gleichstrom mit der zweiten Gleichspannung wird am Ausgang 32 des Hochsetzstellers 30 ausgegeben und über die eine Gleichspannungsleitung 4 zur Sam- melschiene 6 geleitet.
Die erste Gleichspannung des ersten Gleichstroms, die an der Gleichstromverbindungsleitung 24 bzw. Gleichstromturmleitung 24 und damit am Ausgang des Gleichrichters 20 auftritt, beträgt etwa 5kV. Die Gleichspannung, die an der Gleichspannungsleitung 4 bzw. Gleichspannungsverbindung 4 zur Sammelschiene 6 anliegt, hat vorzugsweise einen Wert von 5 bis 10kV. Entsprechend liegt auch dieser Wert an der Sammelschiene 6 und damit am Eingang des gemeinsamen Wechselrichters 8 an. Entsprechend ist in dem gezeigten Beispiel der gemeinsame Wechselrichter 8 für die Transformation einer Gleichspannung von 5 bis 10kV ausgelegt. Der gemeinsame Wechselrichter 8, der somit im Wesentlichen eine Einspeisevorrichtung ist, ist somit als Mittelspannungswechselrichter ausgelegt.
Durch die gezeigte Topologie kann ein Wechselrichter in jeder der Windenergieanlagen 2 eingespart werden. Der verwendete gemeinsame Wechselrichter 8 kann insbesondere bei Verwendung eines Mittelspannungswechselrichters, wie auch in der gezeigten Fig. 2 vorgeschlagen wird, mit höherer Effizienz betrieben werden, als dies für viele einzelne Wechselrichter mit geringerer Spannung möglich wäre. Die Fig. 2 zeigt insgesamt zwei Windenergieanlagen 2, wodurch nur angedeutet werden soll, dass mehrere Windenergieanlagen 2 in dem Windpark 1 vorhanden sind. Vorzugsweise weist ein solcher Wind- park aber mehr als zwei Windenergieanlagen 2 auf, insbesondere weist er 50 Windenergieanlagen oder mehr auf, die alle über eine Gleichspannungsleitung 4 mit der Sammelschiene 6 verbunden sind. Die Gesamtheit der Gleichspannungsleitung 4 kann somit auch als Gleichspannungsparknetz 4 oder einfach Gleichspannungsnetz 4 im Park bezeichnet werden. Das Gleichspannungsparknetz 4 braucht somit keine direkte Verbin- dung zwischen einzelnen Windenergieanlagen herzustellen, wobei aber eine indirekte Verbindung vorliegen kann, wie z.B. über die Sammelschiene 6 wie in Figur 2 gezeigt ist.
Je nach Auslegung des Windparks 1 und/oder des elektrischen Versorgungsnetzes 14 kann auf den Mittelspannungstransformator 12 verzichtet werden. Die gesamte von den Windenergieanlagen 2 erzeugte elektrische Leistung wird in dem Gleichspannungsnetz 4 mit möglichst hoher Spannung bereitgestellt und dann möglichst effizient mit dem gemeinsamen Wechselrichter 8 in das elektrische Versorgungsnetz 14 eingespeist.
Hierdurch werden Erhöhungen des Wirkungsgrades des Parks 1 insgesamt ermöglicht, insbesondere durch Reduzierung von Verlusten. Darüber hinaus wird ermöglicht, etwaige zukünftige Netzanforderungen zu adressieren. Solche Netzanforderungen können bspw. sein, dass ein Park sehr deterministisch auf bestimmte Zustände im elektrischen Versorgungsnetz reagieren muss, oder dass er besonders deterministisch und klar vorgegeben auf Anforderungen des Netzbetreibers des elektrischen Versorgungsnetzes reagieren muss. Solche Anforderungen können auch sehr plötzlich durch entsprechende Signale vorgegeben werden. Durch die Verwendung dieses gemeinsamen Wechselrichters 8 kann der Windpark 1 im Sinne eines Windparkkraftwerks auftreten, das von dem elektrischen Versorgungsnetz nur als ein großer Stromerzeuger wahrgenommen wird. Etwaige Unterschiede der Windenergieanlagen 2 im Park 1 wirken sich nicht oder nicht essentiell auf das elektrische Versorgungsnetz 14 aus bzw. können von dem elektrischen Versorgungsnetz 14 nicht wahrgenommen werden. Hierzu gehören insbesondere unterschiedliche Zeitverhalten beim Ansprechen auf geänderte Zustände im elektrischen Versorgungsnetz und/oder geänderte Anforderungen durch das elektrische Versorgungsnetz 14. Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, die gesamte Parkverkabelung des Windparks mit Gleichspannungstechnologie und einem Spannungsbereich im Mittelspannungsbereich, insbesondere von etwa 5 bis 10kV, vorzusehen. Die Windenergieanlagen werden ohne Wechselrichter ausgestattet. Die Energieübertragung zu einer Netzübergabestation, die in der Fig. 2 als Wechselrichter 8 mit Sammelschiene 6 dargestellt ist, erfolgt mittels Gleichspannung. An der Netzübergabestation wird somit ein Mittelspannungswechselrichter für die Einspeisung ins Wechselspannungsnetz, nämlich das elektrische Versorgungsnetz 14 genutzt. Dieser Mittelspannungswechselrichter erfüllt alle Netzanforderungen, also Anforderungen durch das elektrische Versorgungsnetz, und auch etwaige Blindleistungsanforderungen, also Anforderungen hinsichtlich eines einzuspeisenden Blindleistungsanteils.
Somit wird eine Lösung vorgeschlagen, die auch dem Ziele dient, Windkraftwerke möglichst kostengünstig und mit möglichst hohem Wirkungsgrad aufbauen zu können.

Claims

Ansprüche
Windpark (1 ) zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind umfassend,
wenigstens zwei Windenergieanlagen (2) zum Erzeugen der elektrischen Energie und
eine gemeinsame Einspeisevorrichtung (8) zum Einspeisen der erzeugten elektrischen Energie, oder eines Teils davon, in ein elektrisches Versorgungsnetz (14),
wobei die Windenergieanlagen (2) mit der Einspeisevorrichtung (8) über ein elektrisches Gleichspannungsnetz (4) verbunden sind, um mit der jeweiligen Windenergieanlage (2) erzeugte elektrische Energie mittels elektrischen Gleichstroms an die gemeinsame Einspeisevorrichtung (8) zu leiten.
Windpark (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gleichspannungsnetz (4) eine elektrische Gleichspannung im Bereich von 1 bis 50kV, insbesondere 5 bis 10kV, aufweist.
Windpark (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Windenergieanlagen (2) jeweils folgendes aufweisen,
einen Generator (18) zum Erzeugen eines elektrische Wechselstroms, einen Gleichrichter (20) zum Gleichrichten des erzeugten elektrischen Wechselstroms in einen ersten Gleichstrom mit einer ersten Gleichspannung und
einen Hochsetzsteller (30) zum Hochsetzen des ersten Gleichstroms mit erster Gleichspannung in einen zweiten Gleichstrom mit einer zweiten Gleichspannung, die höher ist als die erste Gleichspannung.
Windpark (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens einer der Windenergieanlagen (2), vorzugsweise alle Windenergieanlagen (2) des Windparks (1 ), jeweils zum Erzeugen eines bzw. des elektrischen Wechselstromes einen Synchrongenerator (18) aufweisen. Windpark (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Einspeisevorrichtung (8) einen mit dem Gleichspannungsnetz (4) verbundenen Wechselrichter (8) aufweist zum Erzeugen eines elektrischen Wechselstroms zum Einspeisen in das elektrische Versorgungsnetz (14).
Windpark (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen der Einspeisevorrichtung (8) und dem elektrischen Versorgungsnetz (14) ein Transformator (12) zum Erhöhen der von der Einspeisevorrichtung (8) erzeugten Wechselspannung vorgesehen ist.
Verfahren zum Einspeisen elektrischer in einem Windpark (1 ) mit mehreren Windenergieanlagen (2) erzeugter Energie in ein elektrisches Versorgungsnetz (14), umfassend die Schritte
(a) Erzeugen eines elektrischen Wechselstroms mittels eines Generators (18) einer Windenergieanlage (2),
(b) Gleichrichten des elektrischen Wechselstroms in einen ersten Gleichstrom mit einer ersten Gleichspannung,
(c) Hochsetzen des ersten Gleichstroms mit erster Gleichspannung in einen zweiten Gleichstrom mit einer zweiten Gleichspannung,
(d) Einleiten des zweiten Gleichstroms in ein Gleichspannungsparknetz (4) zum Bereitstellen an einem Parkwechselrichter (8) zum Einspeisen in das elektrische Versorgungsnetz (14) und
(e) Einspeisen elektrischer, in dem Gleichspannungsparknetz (4) breitgestellter Energie in das elektrische Versorgungsnetz (14) durch den Parkwechselrichter (8).
Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schritte a bis d von mehreren Windenergieanlagen (2) des Windparks (1 ) ausgeführt werden.
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