EP3638899A1 - Windenergieanlage mit getriebelosem generator und generatorfilter - Google Patents

Windenergieanlage mit getriebelosem generator und generatorfilter

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EP3638899A1
EP3638899A1 EP18729670.2A EP18729670A EP3638899A1 EP 3638899 A1 EP3638899 A1 EP 3638899A1 EP 18729670 A EP18729670 A EP 18729670A EP 3638899 A1 EP3638899 A1 EP 3638899A1
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EP
European Patent Office
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generator
filter
current
stator
stator current
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Application number
EP18729670.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alfred Beekmann
Wojciech GIENGIEL
Simon Schrobsdorff
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Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
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Filing date
Publication date
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    • Y02E40/30—Reactive power compensation

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine with a gearbox loose generator and coupled generator filter. Moreover, the present invention relates to such a generator filter and the present invention relates to a method for controlling a gearless wind turbine.
  • Wind turbines are known and many modern wind turbines have a gearless generator.
  • the generator has a rotor which is driven directly by an aerodynamic rotor. The rotor then rotates relative to a stator of the gearless generator, whereby current is generated in the stator. This current generated in the stator is then converted accordingly for further use, in particular for feeding into an electrical supply network.
  • the rotor rotates comparatively slowly, for example. At less than 20 U / min, while conventional generators or electric machines often have rated speeds of 1500 or 3000 rev / min.
  • Such a slowly rotating generator can also lead to vibrations or vibration excitations in the nacelle of the wind turbine.
  • a sound insulation may be provided, or there is a vibration decoupling between nacelle housing and machine frame into consideration.
  • the published patent application DE 10 2014 206 703 A1 shows a decoupling means for attachment between a support module or a Gondola fairing and a machine carrier to produce about an elastically damped connection with the machine frame.
  • a solution is to be proposed, which causes a reduction in noise of a wind turbine, caused by the generator, which allows at least a comparatively quiet running generator or contribute to a quiet running.
  • a wind energy plant according to claim 1 is proposed.
  • This wind turbine comprises a gearless generator, which is designed as a synchronous generator.
  • This synchronous generator has a stator and a rotor.
  • the runner refers to the rotating part of the generator and it is particularly here the term runner used to avoid any confusion with the aerodynamic rotor of the wind turbine.
  • runner is not to be understood as limiting to a specific type of generator.
  • gearless generator is to be understood that there is no transmission between the generator and the aerodynamic rotor.
  • gearless wind turbine can also be spoken by a gearless wind turbine.
  • Such a gearless generator is slow running because it rotates at the same speed as the aerodynamic rotor of the wind turbine. Its speed is less than 20 rev / min, in particular less than 15 rev / min, more preferably less than 10 rev / min. This slow speed also has effects to any expected or to be reduced vibrations.
  • Geared generators typically operate at speeds of 3000 rpm or 1500 rpm.
  • the synchronous generator is designed as a ring generator in which the magnetically active elements of both the stator and the rotor are arranged annularly around the axis of rotation of the generator so that in an inner region of the generator of at least 0 to 50 percent of the air gap diameter no magnetically active elements of the generator are arranged.
  • the runner and the stator are thus arranged, except for support structures, substantially annular in the region of the air gap.
  • a generator filter is coupled to the stator to filter a stator current.
  • a partial filter is provided for each three-phase stator current, wherein all partial filter elements together essentially form the generator filter.
  • all sub-filters are controlled sub-filters and can be controlled jointly via the filter control or in each case via a sub-filter control. All subfilter controls together may essentially constitute the filter control. Any properties that are described for the generator filter shall also apply mutatis mutandis to each sub-filter.
  • Each sub-filter can thus also be regarded as an independent controllable generator filter which filters a stator current.
  • a filter control is provided for controlling the generator filter.
  • the filter filter can control the generator filter and thereby change its filter properties.
  • the stator current can be influenced particularly with regard to harmonics. It has been recognized that such harmonics can lead to corresponding noises in the generator. Furthermore, it was recognized that, depending on the nature, especially depending on the frequency and amplitude of such a noise, this can also be reinforced by elements of the wind turbine. This can result in such noise being amplified and radiated particularly by a nacelle cover, including spinners, and / or rotor blades.
  • By controlling the generator filter and thus control or change of current harmonics they can be changed so that also changes the resulting noise. Occasionally a reduction of one harmonic of one order may suffice, or harmonics of several orders may be reduced or changed.
  • noise may also be indicative of a non-optimal stator current or otherwise not optimally operating generator.
  • the generator filter has a filter section with controllable capacitive properties for changing its filter characteristic, or otherwise has controllable capacitive properties. Accordingly, it is proposed that the controllability of the generator filter is at least partially achieved by controlling capacitive properties. This may mean that a capacitor or capacitor bank is changed by connecting or disconnecting capacitors or parts thereof. Such a change of capacitors is mentioned here but especially for illustration. Rather, capacitances or capacitive properties can be influenced by driving semiconductor components. It is also particularly considered that the genera torfilter behaves like such capacity. For example, the generator filter actively controls the stator current, namely as if the generator filter had capacitive properties. By changing the control, the capacitive property can be controlled thereby.
  • the generator filter actively influence the stator current, in particular such that a current signal is impressed on the stator current through the active generator filter.
  • the stator current can be selectively influenced and a Such influence can at least partially have an effect as it results from a passive filter with capacitances or capacitive properties.
  • a change in this impressing of the current signal on the stator current then has the effect of altering the property of an equivalent passive filter.
  • a capacitive property of the generator filter can also be changed or adjusted thereby.
  • the generator filter is designed as a converter or inverter, or comprises a converter or inverter. If the generator filter operates as a converter, it can convert the stator current or a part thereof into another alternating current or generate a current which can be superimposed on the stator current. Only a small part of the stator current or the stator voltage is to be converted, namely the harmonic components. The converter then operates in such a way that, depending on the existing stator current and the desired stator current, it generates a corresponding current signal provided with corresponding harmonics and superimposed on the stator current, which is also referred to here as stamping. As a result, the stator current can be influenced in the desired manner.
  • an inverter which, unlike the converter, starts from a DC voltage on the input side.
  • the DC voltage can be obtained by rectifying the stator current. This is particularly considered that the stator is anyway rectified for further processing to feed a DC voltage intermediate circuit. From this DC voltage intermediate circuit can also supply such an inverter for influencing the stator current with DC voltage.
  • such an inverter may be controlled to be equivalent to an equivalent passive filter and may be controlled to change the type of current injection to correspond to a change by an equivalent passive filter.
  • the wind turbine is characterized in that the generator filter is arranged between the stator and a rectifier for gelrichtricht the Statorstro- mes, and optionally the generator filter in series capacitances, so that the stator current flows from the stator through the capacitors to a downstream rectifying means, or that the generator filter is prepared for it. emulate such series-connected capacities.
  • a structure in which a rectifying means is provided. and wherein the generator filter between the stator and the rectifier is provided. is generally suggested.
  • the stator current can be rectified and the resulting DC or the resulting DC voltage can be provided at a common DC voltage intermediate circuit and then processed further.
  • a downstream inverter then generate an alternating current for feeding.
  • the series connection of the capacitors is to be understood here as meaning that at least one capacitor is provided in each stator power train. So if there is a three-phase stator current, there are three stat rostroms, one for each phase. Each stator current leads from the stator to the rectifier. So there are then three power lines and in each power line, a capacitor is present, so that the stator along the Statorstromstranges flows through the capacitor, which is of course only possible for alternating current.
  • the generator filter can be designed as a converter or inverter, or comprise a converter or inverter and use for it.
  • each sub-filter is formed by a converter or inverter, or has at least one. It is thus proposed that the generator filter actively activates the stator current and imposes on it a behavior which corresponds to a connection in which there is a described series connection of capacitors. This may possibly be dispensed with such capacitors, as would be necessary for an arrangement in the series circuit. At the same time controllability, namely the emulated capacitors, easier.
  • the generator filter is controlled so that the stator current is changed so that it leads to a higher output in the generator, which is particularly due to capacitive properties of the generator filter can be achieved.
  • the generator is always energized via a DC current in the rotor.
  • This is at least one preferred embodiment of the gearless generator used.
  • a stator current is generated.
  • the stator current has a capacitive reactive current component, this can lead to a reduction of a voltage in the generator, namely in particular to an inductance in the stator of the generator.
  • a higher output voltage can be achieved with the same stator active current, specifically at the output terminals of the stator. This has the consequence that a higher power can be delivered, so that the output power of the generator, namely in particular the output power at the stator, ie at stator terminals, increases.
  • capacitive filter properties which can generate a capacitive reactive current component.
  • the generator filter is designed or operated to filter the stator current such that mechanical vibration excitations of the generator are reduced.
  • vibration frequencies of a generator are known and it is known with what to expect mechanical vibration excitation of the generator.
  • the generator filter can be designed or operated for a frequency range in order to filter the stator current in such a way that the mechanical vibration excitations of the generator are reduced. So it is made an appropriate choice of the frequency range. If the generator filter works passively, it must be designed for this frequency range. The same applies if it is active, in particular if it is formed or supported by a converter or inverter.
  • the inverter or inverter can be operated accordingly, namely for this frequency range.
  • a corresponding design is also advantageous for the inverter or converter.
  • components such as output inductances can be designed accordingly.
  • the generator is designed for a sixth and, alternatively, a 12th harmonic of an expected or detected mechanical vibration. So it is the 6th and / or 12th harmonic, so 6th or 12th harmonic reduced in relation to a fundamental mechanical vibration. For this it was recognized that especially such Harmonics, so harmonics from this frequency range can stimulate mechanical vibrations or amplify.
  • an emission return for returning an emission signal to the filter control is provided.
  • Such an emission signal is representative of an emission emitted by the generator.
  • a noise emission or an electrical and / or mechanical vibration into consideration.
  • Such a vibration is thus recorded and returned as an emission signal.
  • the vibration can be recorded and returned as an emission signal, which should ultimately be reduced.
  • a vibration can be absorbed on a machine carrier, while in fact a vibration of the nacelle cover causes a strong noise emission.
  • the vibration amplitude at the machine frame may be significantly lower, but this may be a better location to locate a measurement sensor.
  • a measuring sensor on a highly vibrating element can also be particularly problematic for the attachment of the sensor.
  • the generator filter As a function of the returned emission signal in order to reduce the emission emitted by the generator.
  • the filter control is prepared for this, which means that it has a corresponding signal input for returning the emission signal.
  • an emission is detected directly or indirectly and then driven or operated accordingly via the filter control of the generator filter.
  • the generator filter only needs to be generally designed for the generally expected range of action, and the drive can then be simply performed in response to the emission signal that was detected.
  • a special adaptation or detection of the current operating state of the wind turbine can be dispensed with. Otherwise, the wind energy plant can be operated essentially as before.
  • the filter control works in such a way that the filter characteristics of the gene changed and adapted to the respective emission.
  • the generator filter including the filter control and a corresponding measuring sensor are required for detecting the emission signal.
  • the generator has a plurality of Te I Ig ene ratorsy ste me.
  • two 3-phase partial stators are provided, each generating a 3-phase current and thus the generator generates a total of a 6-phase stator current.
  • a current detection means is provided, which is prepared to detect the stator current of each partial generator system and in each case to transmit at least one current signal to the filter controller for controlling the generator filter.
  • a current signal is representative of the sensed stator current, respectively.
  • a measuring signal of each stator current can be transmitted.
  • the detected stator current is already evaluated and is transferred into a transformed representation, such as by a decomposition according to the method of symmetrical components, so that at least one vector or pointer for a Mitsystem and for a negative sequence of each 3-phase stator current is transmitted.
  • a current clamp or a measuring resistor for each phase can be provided for detecting the stator current.
  • the filter control is prepared to control the generator filter as a function of the current signal. According to a variant, it is proposed that this be done so that differences between the stator currents are minimized.
  • the stator currents of each sub-generator system are compared and the generator filter is then controlled so that these stator currents at least in some properties align with each other.
  • the stator currents of each partial generator system are preferably out of phase with each other and of course this phase shift should not be equalized. However, it is possible for the amplitude and, in particular, the harmonics of each stator current to be adjusted by a corresponding control of the generator filter.
  • the filter control can specify corresponding compensating harmonic components which can then be changed or generated by the generator filter. Particularly in the case of using an inverter or inverter as a generator filter, a corresponding compensation component for the relevant harmonic component or the relevant harmonic components can be specified here. It is also contemplated that to match the two subgenerator systems, the output powers of the subgenerator systems are considered and adjusted by the generator filter. This can be done a symmetrization between the subgenerator systems. Due to the system, such subgenerator systems, because they are implemented in the same synchronous generator, generally produce very similar output signals, in particular stator currents. Occurring minor differences can be matched by the filter control that controls the generator filter.
  • stator currents of the several, especially two generator systems are considered, but only their harmonics, and dependent on these by appropriate control of the generator filter these harmonics are adjusted.
  • the consideration plays a role that different Oberwellturien the respective stator current can also affect a different power output of the two subgenerator systems.
  • the differences should be small, but they may still be present and make themselves felt, for example, in noise or the running behavior of the generator.
  • the filter control is prepared for this. to control the generator filter as a function of the respective current signal so that differences in the current load within the respective subgenerator system can be reduced.
  • This balancing within a subgenerator system can also be performed simultaneously or combined with the described balancing between the individual subgenerator systems.
  • the preparation of the filter control also looks here in particular so that appropriate compensation shares are impressed on the stator current or added to it to obtain the desired symmetrization.
  • This can be done in particular by using a converter or inverter as a generator filter and this converter or inverter generates and connects the corresponding current components.
  • a symmetrization can be made in each case in one of the sub-generator systems. It is also possible to reduce deviations between the subgenerator systems.
  • the wind turbine is characterized in that
  • a common DC voltage intermediate circuit for providing an intermediate circuit voltage
  • a rectifying means is provided for the or each stator current in order to rectify the stator current and supply it to the common DC voltage intermediate circuit, and
  • the controlled generator filter or a controlled sub-filter of the controlled generator filter is arranged to filter the respective stator current
  • At least one inverter is provided, which is connected on the input side to the common DC voltage intermediate circuit, in order to change the DC link voltage into a three-phase current and voltage signal, and wherein
  • the inverter is coupled to an electrical supply network, or is prepared to feed the three-phase current and voltage signal in the electrical supply network.
  • a common Gleichwoods surge is proposed, to which the entire stator current is rectified, even if several subsystems or more Operastatoren are provided.
  • the downstream inverter then accesses this common DC voltage intermediate circuit.
  • a controlled partial filter is provided for each stator current.
  • a plurality of control characteristics are available for controlling the generator.
  • the filter control is prepared to select between several control characteristics.
  • Each control characteristic is designed as a current characteristic and each current characteristic indicates a filter setting, in particular a reactive power value, as a function of the stator current.
  • the corresponding control characteristic curve can be selected and this then results in that a corresponding filter setting is made as a function of a stator current, in particular that feeds a reactive power value as a function of a stator current.
  • the control characteristics can be selected depending on an asymmetry between individual phases or depending on an asymmetry between multiple sub-generator systems.
  • they can then control depending on an amplitude of the stator current, eg. Its rms value, the stator current-dependent reactive power.
  • the control characteristic it is also possible for the control characteristic to be selected as a function of a recorded emission signal. For example.
  • the filter control is to this extent particularly prepared in that it has a memory means in which these current characteristics are stored.
  • a processor can be provided for a selection of the thus stored current characteristic, on which a corresponding selection criterion is processed.
  • different operating points can be set by the control characteristics.
  • control characteristics are provided for different applications.
  • a normal control characteristic is a characteristic curve which is provided for controlling the generator filter such that the stator current has as few current harmonics as possible. Such a control can be referred to as a normal control and associated characteristic thus as a normal control characteristic.
  • a noise control characteristic is one which is provided for controlling the generator filter so as to reduce a mechanical vibration or a noise emission of the generator. The control characteristic thus relates specifically to such vibration problems.
  • the noise control characteristic curve can be provided in such a way that it particularly contains a control rule which leads to the fact that the generator filter is controlled such that the noises in particular are reduced.
  • this control characteristic can be designed so that particularly noise-relevant components of the stator current are in the foreground.
  • This noise control characteristic can thus, for example, specifically be designed so that harmonics in the range of the sixth or the 12th harmonic are compensated with respect to a mechanical fundamental vibration or specifically such harmonic components are generated for reduction of the generator filter.
  • An equalization characteristic is one such control characteristic that controls the generator filter so that subgenerator systems have as little power difference as possible.
  • a homogenization characteristic can be provided in particular for use for each phase or for each partial generator system and can have a dynamic or steepness which results in the partial generator systems or the individual phases together finding a stable operating point.
  • the control characteristic can be adjusted so that the systems do not oscillate in an attempt to balance each other.
  • the generator systems have at least one dynamic and a control characteristic, if it is a straight line with slope in the simplest case, can then form a gain factor or act as a gain factor. Depending on the choice of the amplifier, a more or less oscillating system results. In addition to known control engineering interpretations, it is also possible to test different control characteristics in a simulation.
  • the equalization characteristic can also be provided for any current differences in the stator current, ie it is designed such that the current difference, be it between the subgenerator systems or between the phases of each subgenerator system, is as low as possible or reduced can.
  • An inertia characteristic curve which can also be called synonymous as a characteristic curve for providing an instantaneous reserve, is one which leads or is used to control the generator filter in such a way that the generator can realize the fastest possible power increase.
  • Such a momentary reserve case may be present when a sudden frequency decline requires a short-term higher feed-in power. This leads to the fact that this higher feed-in power is also delivered by the generator. The generator then has to deliver more power, which slows it down. This power, which the generator suddenly has to give off more, is thus also output via the stator current and accordingly this stator current is to be controlled so that it increases very rapidly, for example within 10 to 50 ms, for example by 10%.
  • Such a rapid power increase can also have an impact on the power quality, in particular the harmonics.
  • the higher power output is accompanied by a deceleration of the generator, which in turn leads to a reduction in the frequency of the stator current.
  • the inertia characteristic is provided for such a case.
  • such an inertia characteristic curve is particularly flat, so that it intervenes in the controller rather less than the other characteristic curves. This is based in particular on the recognition that on the one hand in such a case, in which an instantaneous reserve must be provided, this provision of the instantaneous reserve is in the foreground.
  • the instantaneous reserve supply is comparatively short, for example in the range of 10 seconds, so that in this time, in which also the frequency of the stator current changes, is not to be expected with a resonance case, because there is no necessary stationary case. It is therefore not expected to noise problems, and should noise problems occur, they would be acceptable for the short period of inertia.
  • the inertia characteristic curve can also be designed in such a way that a particularly high reactive current is fed in order to thereby increase excitation in the generator and thus additionally support the increase in the output power. Such an increase of the output power by a correspondingly changed stator current can accelerate the power increase in this instantaneous reserve case. It was also recognized for these explained characteristics that these can set different operating points.
  • the filter control is prepared to change an operating point of the generator.
  • the filter controller is prepared to control the generator filter for varying excitation of the generator.
  • measures already described above are proposed here. It should be noted that such measures, that is, in particular a specific selection of an operating point, can also be implemented differently than via one of the proposed control characteristics.
  • the adjustment of an operating point by the adjustable generator filter can be made by the adjustment of reactive power, that is, by adding reactive current to the stator current. This can be done especially by using an active generator filter, especially using an inverter or inverter as a generator filter.
  • a method for controlling a stator current of a generator of a wind energy plant is also proposed.
  • the generator is designed as a gearless synchronous generator with a stator and a rotor.
  • the method comprises at least the steps of filtering at least one stator current of the generator by means of a generator filter connected to the stator of the generator, the generator filter having variable filter characteristics, and controlling the generator filter by means of a filter controller to adjust the filter characteristics.
  • the setting of the filter properties here and also in the other embodiments may also mean that filter properties are emulated.
  • the embodiment already described, in which a current is generated by the generator filter and applied to the stator current, which behaves as if a passive filter is connected, is an example of an emulation of filter characteristics.
  • the method uses a wind turbine according to at least one embodiment described above.
  • the embodiments of a wind energy plant described above also include descriptions of process steps or process characteristics to which it has been specifically explained that the generator filter or the filter control are each provided or prepared for this purpose. It is proposed that the method according to the invention may comprise such method steps or method properties.
  • a generator filter of a wind energy plant for filtering a generator current of a gearless synchronous generator of the wind energy plant is also proposed.
  • Such a generator filter includes a filter port for connecting the generator filter to a stator current output of the gearless generator, and the generator filter includes a filter controller for controlling the generator filter, the generator filter having variable filter characteristics.
  • a generator filter is proposed, which is prepared to be controlled as described in accordance with at least one embodiment of a wind turbine described above.
  • a solution is proposed, which basically helps to improve the performance of a gearless synchronous generator of a wind turbine. Achieving or supporting noise reduction is one of the aspects.
  • an improvement in the controllability of the generator is made possible because the proposed solutions provide additional intervention in the control of the generator, namely in addition to the direct control of an excitation current in the rotor of the generator.
  • the power generation can also be improved via this additional control intervention.
  • Even a differentiated consideration of different generator subsystems is possible and it can be compensated for asymmetries.
  • the overall operating point of the generator can also be better adjusted by the additional intervention.
  • the so-called inertia case or momentary reserve case in which an instantaneous reserve is provided from rotational energy
  • a rapid provision of the generator power necessary for this purpose can be achieved.
  • the time constants of the rotor for the exciter control must be taken into account, and such time constants can be, for example, in the range of 1 to 2 seconds, in particular 1 to 1.5 seconds.
  • Such a time can be shortened by a proposed control of an active generator filter.
  • the power increase by controlling the excitation current should be supplemented in particular. In particular, an even faster increase of this power can be achieved, but then this increased power output can be kept well by increasing the excitation current.
  • FIG. 1 shows a wind turbine in a perspective view.
  • FIGS. 2-4 each show a structure of a filter circuit with generator and generator filter in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows a wind energy plant 100 with a tower 102 and a nacelle 104.
  • a rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 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 an arrangement 200 which particularly shows a generator filter 202 and how it is connected to a generator 204 and a rectifier 206.
  • the arrangement 200 thus starts from a generator 204 which is designed as a gearless synchronous generator and has two stator subsystems 208.
  • the two stator subsystems 208 which to this extent form two generator subsystems, are essentially the same, but shifted from each other electrically by 30 degrees.
  • Each of the stator subsystems 208 has a stator current output 210, at each of which a 3-phase stator current ls is output.
  • Each stator current is simplified with an arrow, but each stator current ls is 3-phase, and thus one phase in each power flows.
  • Each stator current is then rectified in each rectifying means 212 of the rectifier 206. This results in a common direct current or a common DC voltage, which is provided to the DC voltage intermediate circuit 214.
  • the DC voltage intermediate circuit comprises a DC link capacitor 216 for smoothing and holding its DC voltage.
  • a network inverter 1 18 can then generate a desired alternating current and feed it into the symbolically represented electrical supply network 220.
  • the reuse of the network 218 for feeding into the electrical supply network 220 in particular does not occur in detail, so that the representation here too is very simplistic.
  • the generator filter 202 now has two filter inverters 222, each forming a sub-filter. Each filter inverter 222 is connected to a respective stator current output 210 and can thus filter the relevant stator current.
  • the filtering then takes place in such a way that voltages at the stator current output 210 are measured, which can also be done by the respective filter inverter 222.
  • the filter inverter 222 can then generate a corresponding filter current or a filter voltage and add it up to the stator current ls.
  • For a respective filter current IF is generated, which is also formed here in 3-phase.
  • Each filter stream IF acts on the respective filter connection point 224 to the respective stator current ls.
  • the filter connection point 224 is basically galvanically identical to the respective stator current output 210.
  • the filter current IF also acts on the generator 204, namely on the respective stator subsystem 208.
  • the filter current IF directs a reactive power component at the filter connection point 224 and this reactive power component It then acts on the relevant stator subsystem 208 via the stator current output 210 and thus influences the generator 204 or its behavior there.
  • Each filter inverter 222 may be connected to the DC intermediate circuit 214 via a DC connection 226 and receive a direct current via it.
  • Each filter inverter 222 can also be provided as a regenerative rectifier or work and feed a DC into the DC voltage intermediate circuit.
  • only one capacitance 225 is connected to the DC side of the filter inverter 222 instead of the DC connection 226 to the DC intermediate circuit 214, without connecting them to the DC voltage intermediate circuit.
  • the filter inverter 222 then operates in such a way that it does not supply or remove energy on the DC side.
  • the filter inverter 222 operates in this case so that the filter current IF for a longer period of time neither energy nor dissipates. For a short period of time, energy can be buffered in the DC-side connected capacity and released again. This is shown in FIG. 3, which otherwise corresponds to FIG.
  • a capacitor 225 is connected to the DC side of the filter inverter 222, as in the second embodiment, without connecting it to the DC intermediate circuit 214.
  • a DC connection 227 between these capacitances 225 of the two filter inverters 222 is proposed, but has no contact with the DC intermediate circuit 214.
  • any small asymmetries of the two stator currents ls or the two stator subsystems 208 can be compensated. This is shown in FIG. 4, which otherwise corresponds to FIG.
  • a filter controller 228 is provided, which concerns at least all three embodiments.
  • This filter controller 228 communicates with both filter inverters 222.
  • the filter controller 228 can also control the two filter inverters 222 with each other. Symmetrization or at least partial equalization of the two stator subsystems 208 can then be carried out so that first each filter inverter 222 detects the respective stator current I s, that is, measures. At the same time, it is also possible to detect a corresponding output voltage at each stator current output 210.
  • each filter inverter 222 Based on these measurements, on the one hand, a corresponding control of each individual filter inverter 222 can be made, on the other hand, however, these data can also be given to the filter controller 228 for common and in particular also comparative evaluation.
  • the filter controller 228 may then provide appropriate control instructions to the filter inverters 222. These control instructions can be different between the two filter inverters 222. It is also contemplated that each filter inverter 222 partially performs independent control. For this purpose, the filter controller 228 can transmit corresponding control characteristics at the respective filter inverter 222.
  • the generator filter 202 may be extremely flexible in that it is constructed essentially of two filter inverters 222 and one filter controller 228. Basically, this allows a variety of filtering and control, which can be prepared and controlled by a process computer. The implementation of this control can then take place through a filter inverter 222.
  • a filter inverter 222 may basically be a conventional inverter designed for the corresponding voltage and current values.
  • a tolerance band method is used to precisely adjust the filter current IF.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage (100) umfassend einen getriebelosen Generator (204), wobei der Generator (204) als Synchrongenerator mit einem Stator und einem Läufer ausgebildet ist, einen mit dem Stator gekoppelten Generatorfilter (202) zum Filtern eines Statorstroms, wobei der Generatorfilter (202) veränderbare Filtereigenschaften aufweist, und eine Filtersteuerung (228) zum Steuern des Generatorfilters (202).

Description

Windenergieanlage mit getriebelosem Generator und Generatorfilter
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem getriebe losen Generator und damit gekoppeltem Generatorfilter. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung einen solchen Generatorfilter und die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer getriebelosen Windenergieanlage. Windenergieanlagen sind bekannt und viele moderne Windenergieanlagen weisen einen getriebelosen Generator auf. Der Generator weist dabei einen Läufer auf, der unmittelbar von einem aerodynamischen Rotor angetrieben wird. Der Läufer dreht sich dann relativ zu einem Stator des getriebe losen Generators, wodurch in dem Stator Strom erzeugt wird. Dieser im Stator erzeugte Strom wird dann zur weiteren Verwendung, insbesondere nämlich zum Einspeisen in ein elektrisches Versorgungsnetz entsprechend umgewandelt.
Bei einer solchen getriebelosen Konstellation dreht sich der Läufer vergleichsweise langsam, bspw. mit weniger als 20 U/min, während übliche Generatoren oder elektrische Maschinen häufig Nenndrehzahlen von 1500 oder 3000 U/min aufweisen.
Ein solch langsam drehender Generator kann dabei auch zu Schwingungen oder Schwi- nungsanregungen in der Gondel der Windenergieanlage führen. Grundsätzlich gibt es bei jedem Generatortyp spezifische Eigenschaften, die Anregungen im Bereich der Gondel erzeugen können. Diese können, je nach Ausprägung, zu Problemen mit Schallemissionen führen, wobei solchen Probleme mit Schallemissionen auch vom Aufstellungsort und den dort geltenden Vorschriften abhängen. Geräuscheffekte können bspw. in den Frequenzbereichen von 10Hz bis 120Hz auftreten.
Um solchen Geräuschemissionen entgegenzuwirken, kann bspw. eine Schalldämmung vorgesehen sein, oder es kommt eine Schwingungsentkopplung zwischen Gondelgehäuse und Maschinenträger in Betracht. Die Offenlegungsschrift DE 10 2014 206 703 A1 zeigt ein Entkopplungsmittel zum Anbringen zwischen einem Tragmodul bzw. einer Gondelverkleidung und einem Maschinenträger, um darüber eine elastisch gedämpfte Verbindung mit dem Maschinenträger herzustellen.
Es gibt auch Lösungsansätze, die insgesamt den Generator leiser machen. Eine solche Lösung ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2014 200 947 A1 vorgeschlagen. Dort wird für den Generator ein Stator vorgeschlagen, der in Umfangsrichtung in Statorsegmente eingeteilt ist und wobei wenigstens zwei Statorsegmente in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt oder verschränkt sind. Eine solche Lösung setzt aber eine entsprechende bautechnische Veränderung des Generators voraus, was insoweit eher für die Konstruktion eines neuen Generators effizient erscheint. Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 100 1 1 750 A1 ; DE 101 30 339 A1 ; De 10 2014 200 947 A1 ; DE 10 2014 206 703 A1 ; DE 10 2015 205 348 A1 und EP 2 869 458 A1.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, zumindest eines der vor- stehend genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die eine Schallreduktion einer Windenergieanlage, hervorgerufen durch den Generator bewirkt, die zumindest einen vergleichsweise leise laufenden Generator ermöglicht oder zu einem leisen Lauf beitragen kann. Zumindest soll zu bisher bekannten Lösungen eine alternative Lösung vorgeschlagen werden. Erfindungsgemäß wird eine Windenergieanlage gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Diese Windenergieanlage umfasst einen getriebelosen Generator, der als Synchrongenerator ausgebildet ist. Dieser Synchrongenerator weist einen Stator und einen Läufer auf. Der Läufer bezeichnet den drehenden Teil des Generators und es wird besonders hier der Begriff Läufer verwendet, um etwaige Verwechslungen mit dem aerodynamischen Rotor der Windenergieanlage zu vermeiden. Die Verwendung des Begriffs Läufer ist insoweit nicht einschränkend auf einen speziellen Generatortyp zu verstehen. Unter einem getriebelosen Generator ist insoweit zu verstehen, dass kein Getriebe zwischen dem Generator und dem aerodynamischen Rotor vorliegt. Insoweit kann auch von einer getriebelosen Windenergieanlage gesprochen werden. Ein solcher getriebe loser Generator ist langsam laufend, weil er sich mit derselben Drehzahl wie der aerodynamische Rotor der Windenergieanlage dreht. Seine Drehzahl liegt unter 20 U/min, insbesondere unter 15 U/min, besonders bevorzugt unter 10U/min. Diese langsame Drehzahl hat auch Auswirkungen auf etwaige zu erwartende bzw. zu verringernde Schwingungen. Generatoren mit Getriebe laufen typischerweise mit Drehzahlen von 3000 U/min oder 1500U/min.
Vorzugsweise ist der Synchrongenerator als Ringgenerator ausgebildet, bei dem die magnetisch wirksamen Elemente sowohl vom Stator als auch vom Läufer ringförmig um die Drehachse des Generators so angeordnet sind, dass in einem inneren Bereich des Generators von wenigstens 0 bis 50 Prozent des Luftspaltdurchmessers keine magnetisch wirksamen Elemente des Generators angeordnet sind. Der Läufer und der Stator sind also, bis auf Tragstrukturen, im Wesentlichen ringförmig im Bereich des Luftspalts angeordnet. Mit dem Stator ist ein Generatorfilter gekoppelt, um einen Statorstrom zu filtern. Besonders ist für jeden dreiphasigen Statorstrom ein Teilfilter vorgesehen, wobei alle Teilfilter- zusammen im Wesentlichen den Generatorfilter bilden. Dabei sind alle Teilfilter gesteuerte Teilfilter und können gemeinsam über die Filtersteuerung oder jeweils über eine Teilfil- tersteuerung angesteuert werden. Alle Teilfiltersteuerungen zusammen können im Wesentlichen die Filtersteuerung bilden. Jegliche Eigenschaften, die für den Generatorfilter beschrieben werden, sind auch sinngemäß für jeden Teilfilter anzuwenden. Jeder Teilfilter kann somit auch als eigenständiger steuerbarer Generatorfilter angesehen werden, der einen Statorstrom filtert.
Für diesen Generatorfilter wird vorgeschlagen, dass er veränderbare Filtereigenschaften aufweist.
Außerdem ist eine Filtersteuerung zum Steuern des Generatorfilters vorgesehen. Somit kann über die Filtersteuerung der Generatorfilter angesteuert werden und dadurch seine Filtereigenschaften verändern.
Dadurch kann der Statorstrom besonders hinsichtlich Oberwellen beeinflusst werden. Es wurde erkannt, dass solche Oberwellen zu entsprechenden Geräuschen im Generator führen können. Weiterhin wurde erkannt, dass je nach Art, besonders je nach Frequenz und Amplitude eines solchen Geräusches, dieses auch noch durch Elemente der Windenergieanlage verstärkt werden kann. Dies kann dazu führen, dass solche Geräusche verstärkt und besonders durch eine Gondelverkleidung, einschließlich Spinner, und/oder Rotorblätter abgestrahlt werden kann. Durch die Steuerung des Generatorfilters und damit Steuerung bzw. Veränderung von Stromoberwellen, können diese so verändert werden, dass sich auch die resultierende Geräuschentwicklung verändert. Mitunter kann hier eine Reduzierung einer Oberwelle einer Ordnung ausreichen, oder Oberwellen mehrerer Ordnungen werden reduziert oder verändert.
Besonders bei einer drehzahlvariablen Windenergieanlage, die insbesondere hier vorgeschlagen wird, können sich solche Stromoberwellen je nach Betriebszustand der Windenergieanlage verändern. Durch die steuerbare Veränderung des Generatorfilters kann hierauf dynamisch reagiert werden. Damit ist die Lösung auch besonders flexibel und anpassbar.
Es wurde auch erkannt, dass eine Geräuschentwicklung auch ein Indikator für einen nicht optimalen Statorstrom oder ein in anderer Art und Weise nicht optimal arbeitenden Generator sein kann. Durch Maßnahmen zur Verringerung der Geräusche durch Verändern des Generatorstroms kann somit auch das Betriebsverhalten des Generators verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Generatorfilter zum Verändern seiner Filtereigenschaft einen Filterabschnitt mit steuerbaren kapazitiven Eigenschaften aufweist, oder anderweitig steuerbare kapazitive Eigenschaften aufweist. Demnach wird vorgeschlagen, dass die Steuerbarkeit des Generatorfilters zumindest teilweise dadurch erreicht wird, dass kapazitive Eigenschaften gesteuert werden. Das kann bedeuten, dass ein Kondensator oder eine Kondensatorbank verändert wird, durch Zu- oder Wegschalten von Kondensatoren oder Teilen davon. Eine solche Veränderung von Kondensatoren ist hier aber besonders zur Veranschaulichung genannt. Vielmehr können Kapazitäten bzw. kapazitive Eigenschaften durch das Ansteuern von Halbleiterbauele- menten beeinflusst werden. Es kommt besonders auch in Betracht, dass sich der Genera torfilter wie solche Kapazitäten verhält. Der Generatorfilter steuert dafür bspw. aktiv den Statorstrom, nämlich so als hätte der Generatorfilter kapazitive Eigenschaften. Durch Änderung der Steuerung kann dadurch auch die kapazitive Eigenschaft gesteuert werden. Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Generatorfilter den Statorstrom aktiv beeinflusst, insbesondere so, dass dem Statorstrom durch den aktiven Generatorfilter ein Stromsignai aufgeprägt wird. Durch ein solches aktives bzw. unmittelbares Beeinflussen des Statorstroms kann der Statorstrom gezielt beeinflusst werden und eine solche Beeinflussung kann zumindest teilweise eine Wirkung entfalten, wie sie sich durch einen passiven Filter mit Kapazitäten oder kapazitiven Eigenschaften ergibt. Eine Veränderung dieses Aufprägens des Stromsignals auf den Statorstrom wirkt sich dann so aus, als verändere sich die Eigenschaft eines äquivalent passiven Filters. Somit kann auch hierdurch eine kapazitive Eigenschaft des Generatorfilters verändert oder eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Generatorfilter als Umrichter oder Wechselrichter ausgebildet ist, oder einen Umrichter oder Wechselrichter um- fasst. Arbeitet der Generatorfilter als Umrichter, so kann er den Statorstrom bzw. einen Teil davon in einen anderen Wechselstrom umwandeln oder einen Strom erzeugen, der dem Statorstrom Überlager werden kann. Dabei soll nur ein geringer Teil des Statorstroms bzw. der Statorspannung umgewandelt werden, nämlich die Oberwellenanteile. Der Umrichter arbeitet dann so, dass er abhängig von dem vorhandenen Statorstrom und dem gewünschten Statorstrom ein entsprechendes mit entsprechenden Oberwellen versehenes Stromsignal erzeugt und dem Statorstrom überlagert was hier auch als aufprägen bezeichnet wird. Dadurch kann der Statorstrom in gewünschter Art und Weise beeinflusst werden.
Statt eines Umrichters kann auch ein Wechselrichter verwendet werden, der anders als der Umrichter eingangsseitig von einer Gleichspannung ausgehend. Die Gleichspannung kann durch ein Gleichrichten des Statorstroms erhalten werden. Dafür kommt besonders in Betracht, dass der Statorstrom zur weiteren Verarbeitung ohnehin gleichgerichtet wird, um einen Gleichspannungszwischenkreis zu speisen. Von diesem Gleichspannungszwischenkreis aus kann sich auch ein solcher Wechselrichter zum Beeinflussen des Statorstroms mit Gleichspannung versorgen. Auch ein solcher Wechselrichter oder Umrichter kann so gesteuert werden, dass er sich äquivalent zu einem äquivalenten passiven Filter verhält und er kann so gesteuert werden, dass er die Art der Stromeinprägung so verändert, dass dies einer Veränderung durch einen äquivalenten passiven Filter entspricht.
Vorzugsweise ist die Windenergieanlage dadurch gekennzeichnet, dass der Generatorfilter zwischen dem Stator und einem Gleichrichtmittel zum Gelichrichten des Statorstro- mes angeordnet ist, und optional der Generatorfilter in Reihe geschaltete Kapazitäten aufweist, so dass der Statorstrom vom Stator durch die Kapazitäten zu einem nachgeschalteten Gleichrichtmittel fließt, oder dass der Generatorfilter, dazu vorbereitet ist. solche in Reihe geschaltete Kapazitäten zu emulieren. Ein Aufbau, bei dem ein Gleichrichtmittel vorgesehen ist. und wobei der Generatorfilter zwischen dem Stator und dem Gleich richtmittel vorgesehen ist. wird generell vorgeschlagen. Damit kann der Statorstrom gleichgerichtet werden und der entstehende Gleichstrom bzw. die entstehende Gleichspannung kann an einem gemeinsamen Gleichspan- nungszwischenkreis bereitgestellt werden und dann weiter verarbeitet werden. Besonders kann ein nachgeschalteter Wechselrichter, dann einen Wechselstrom zum Einspeisen erzeugen. Durch den Generatorfilter kann auch der Gleichstrom und die Gleichspannung verbessert werden. Es wurde erkannt, dass hierbei durch eine Reihenschaltung von Kondensatoren unerwünschte Ausgleichsströme vermieden werden, wie sie bei Filtern mit parallel geschalteten Kapazitäten, also Kondensatoren, auftreten können. Für eine solche Reihenschaltung sind allerdings sehr große und leistungsstarke Kondensatoren notwendig. Besonders, wenn diese veränderbar sind kann die Umsetzung aufwändig sein. Sie ist dennoch möglich und wird als eine Variante vorgeschlagen. Unter der Reihenschaltung der Kondensatoren ist hier zu verstehen, dass zumindest ein Kondensator in jedem Statorstromstrang vorgesehen ist. Liegt also ein dreiphasiger Statorstrom vor, gibt es drei Stat- rostromstränge, nämlich für jede Phase einen. Jeder Statorstromstrang führt vom Stator zum Gleichrichtmittel. Es sind dann also drei Stromstränge vorhanden und in jedem Stromstrang ist ein Kondensator vorhanden, so dass der Statorstrom entlang des Statorstromstranges durch den Kondensator fließt, was natürlich nur für Wechselstrom möglich ist.
Vorzugsweise wird aber vorgeschlagen, eine solche Reihenschaltung von Kondensato- ren durch den Generatorfilter zu emulieren. Dazu kann der Generatorfilter als Umrichter oder Wechselrichter ausgebildet sein, oder einen Umrichter oder Wechselrichter umfassen und dafür verwenden. Vorzugsweise wird jeder Teilfilter durch einen Umrichter oder Wechselrichter ausgebildet, oder weist zumindest einen auf. Es wird somit vorgeschlagen, dass der Generatorfilter aktiv den Statorstrom ansteuert und ihm ein Verhalten aufzwingt, das einer Verschaltung entspricht, bei der eine beschriebene Reihenschaltung von Kondensatoren vorliegt. Dadurch kann ggf. auf solche Kondensatoren verzichtet werden, wie sie für eine Anordnung in der Reihenschaltung notwendig wären. Gleichzeitig ist eine Steuerbarkeit, nämlich der emulierten Kondensatoren, leichter möglich. Gemäß einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Generatorfilter so gesteuert wird, dass der Statorstrom so verändert wird, dass er im Generator zu einer höheren Abgabeleistung führt, was besonders durch kapazitive Eigenschaften des Generatorfilters erreicht werden kann. Der Generator wird grundsätzlich über einen Gleichstrom im Läufer erregt. Das ist zumindest eine bevorzugte Ausführungsform des verwendeten getriebelosen Generators. Dadurch und durch die Drehung des Generators wird ein Statorstrom erzeugt. Besonders wenn der Statorstrom einen kapazitiven Blindstromanteil aufweist, kann dies zu einer Reduzierung einer Spannung im Generator, nämlich insbesondere an einer Induktivität im Stator des Generators führen. Dadurch kann bei gleichem Statorwirkstrom eine höhere Ausgangsspannung erreicht werden, nämlich besonders an den Ausgangsklemmen des Stators. Das hat zur Folge, dass eine höhere Leistung abgegeben werden kann, dass sich also die Ausgangsleistung des Generators, nämlich insbe- sondere die Ausgangsleistung am Stator, also an Statorklemmen, erhöht.
Das kann besonders durch kapazitive Filtereigenschaften erreicht werden, die einen kapazitiven Blindstromanteil erzeugen können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Generatorfilter dazu ausgelegt ist bzw. dazu betrieben wird, den Statorstrom so zu filtern, dass mechanische Schwingungsanregungen des Generators reduziert werden. Häufig sind Schwingfrequenzen eines Generators bekannt und es ist dadurch bekannt, mit was für mechanischen Schwingungsanregungen des Generators zu rechnen ist. Es wird vorgeschlagen, den Statorstrom entsprechend zu filtern, dass solche mechanischen Schwingungsanregungen reduziert werden. Insbesondere kann dafür der Generatorfilter für einen Frequenzbereich ausgelegt bzw. betrieben werden, um den Statorstrom so zu filtern, dass die mechanischen Schwingungsanregungen des Generators reduziert werden. Es wird also eine entsprechende Wahl des Frequenzbereichs vorgenommen. Soweit der Generatorfilter passiv arbeitet, ist er für diesen Frequenzbereich auszulegen. Gleiches gilt, wenn er aktiv ist, insbesondere wenn er durch einen Umrichter oder Wechselrichter gebildet oder unterstützt wird. In diesem Fall kann der Wechselrichter oder Umrichter entsprechend betrieben werden, nämlich für diesen Frequenzbereich. Gleichwohl ist auch für den Wechselrichter oder Umrichter eine entsprechende Auslegung vorteilhaft. Besonders können Bauteile wie Ausgangsinduktivitäten entsprechend ausgelegt sein. Vorzugsweise ist der Generator für eine 6. und außerdem oder alternativ für eine 12. Harmonische einer erwartenden oder erfassten mechanischen Schwingung ausgelegt. Es wird also die 6. und/oder 12. Harmonische, also 6. bzw. 12. Oberwelle in Bezug auf eine mechanische Grundschwingung reduziert. Hierzu wurde erkannt, dass besonders solche Oberschwingungen, also Oberschwingungen aus diesem Frequenzbereich mechanische Schwingungen anregen oder verstärken können.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass eine Emissionsrückführung zum Rückführen eines Emissionssignals zur Filtersteuerung vorgesehen ist. Ein solches Emissionssignal ist repräsentativ für eine von dem Generator abgegebene Emission. Hier kommt insbesondere eine Geräuschemission, oder eine elektrische und/oder mechanische Schwingung in Betracht. Eine solche Schwingung wird also aufgenommen und als Emissionssignal zurückgeführt. Hierbei kann genau die Schwingung aufgenommen und als Emissionssignal zurückgeführt werden, die letztlich auch verringert werden soll. Es kommt aber auch in Betracht, andere Emissionen zu messen, die für die zu reduzierenden Schwingungen repräsentativ sind. Es kann also bspw. eine Schwingung an einem Maschinenträger aufgenommen werden, während tatsächlich eine Schwingung der Gondelverkleidung eine starke Geräuschemission bewirkt. In diesem Beispiel kann die Schwingungsamplitude an dem Maschinenträger deutlich geringer sein, aber möglicher- weise ist dies ein besserer Messort um einen Messsensor anzuordnen. Das Anordnen eines Messsensors an einem stark schwingenden Element, wie in diesem Beispiel der Gondelverkleidung, kann auch besonders problematisch für die Befestigung des Sensors sein. Es kommt aber auch in Betracht, bspw. den Statorstrom zu erfassen und auszuwerten und anhand der Auswertung bspw. über bekannte Eigenschaften der Windenergiean- läge, auf die tatsächliche Emission zu schließen, um nur ein weiteres Beispiel zu nennen.
Dazu wird dann vorgeschlagen, den Generatorfilter in Abhängigkeit des zurückgeführten Emissionssignals zu steuern, um die vom Generator abgegebene Emission zu reduzieren. Die Filtersteuerung ist dazu vorbereitet, was bedeutet, dass sie einen entsprechenden Signaleingang zur Zurückführung des Emissionssignals aufweist. Es wird also direkt oder indirekt eine Emission erfasst und dann über die Filtersteuerung der Generatorfilter entsprechend angesteuert bzw. betrieben. Somit kann hier auf unterschiedliche Betriebssituationen auf einfache Art und Weise reagiert werden. Der Generatorfilter braucht nur generell auf den allgemein zu erwartenden Aktionsbereich ausgelegt zu werden und die Ansteuerung kann dann einfach abhängig des Emissionssignals, das erfasst wurde, durchgeführt werden. Eine spezielle Anpassung oder Erfassung des aktuellen Betriebszustands der Windenergieanlage kann dadurch entbehrlich werden. Es kann auch ansonsten die Windenergieanlage im Wesentlichen wie bisher betrieben werden. Einzig die Filtersteuerung arbeitet so, dass sie die Filtereigenschaften des Gene- ratorfilters verändert und an die jeweilige Emission anpasst. Hierdurch ist es auch besonders gut möglich, diese vorgeschlagene Lösung in einer Windenergieanlage nachzurüs- ten. Es bedarf im Wesentlichen nur des Generatorfilters einschließlich der Filtersteuerung und eines entsprechenden Messaufnehmers zum Erfassen des Emissionssignals. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Generator mehrere Te i Ig e n e ratorsy ste m e aufweist. Insbesondere sind zwei 3-phasige Teilstatoren vorgesehen, die je einen 3-phasigen Strom erzeugen und somit der Generator insgesamt einen 6-phasigen Statorstrom erzeugt. Dazu ist ein Stromerfassungsmittel vorgesehen, das dazu vorbereitet ist, den Statorstrom jedes Teilgeneratorsystems zu erfassen und jeweils wenigstens ein Stromsignal an die Filtersteuerung zum Steuern des Generatorfilters zu übertragen. Ein solches Stromsignal ist repräsentativ jeweils für den erfassten Statorstrom. Bspw. kann ein Messsignal jedes Statorstroms übertragen werden. Es kommt aber auch in Betracht, dass der erfasste Statorstrom bereits ausgewertet wird und in eine transformierten Darstellung übertragen wird, wie bspw. durch eine Zerlegung nach der Methode der symmetrischen Komponenten, so dass zumindest ein Vektor oder Zeiger für ein Mitsystem und für ein Gegensystem jedes 3-phasigen Statorstroms übertragen wird. Zum Erfassen des Statorstroms kann bspw. eine Stromzange oder ein Messwiderstand für jede Phase vorgesehen sein.
Es wird nun vorgeschlagen, dass die Filtersteuerung dazu vorbereitet ist, den Generator- filter in Abhängigkeit des Stromsignals zu steuern. Gemäß einer Variante wird vorgeschlagen, dass dies so erfolgt, dass Unterschiede zwischen den Statorströmen minimiert werden. Es werden also die Statorströme jedes Teilgeneratorsystems verglichen und der Generatorfilter wird dann so gesteuert, dass sich diese Statorströme zumindest in einigen Eigenschafen einander angleichen. Die Statorströme jedes Teilgeneratorsystems sind vorzugsweise gegeneinander phasenverschoben und diese Phasenverschiebung soll natürlich nicht angeglichen werden. Es kann aber die Amplitude und besonders auch die Oberwelligkeit jedes Statorstroms durch eine entsprechende Ansteuerung des Generatorfilters angeglichen werden.
Die Filtersteuerung kann dafür entsprechende kompensierende Oberwellenanteile vorge- ben, die dann von dem Generatorfilter verändert oder erzeugt werden können. Besonders im Falle der Verwendung eines Umrichters oder Wechselrichters als Generatorfilter kann hier eine entsprechende Kompensationskomponente für die betreffende Oberwellenkomponente oder die betreffenden Oberwellenkomponenten vorgegeben werden. Es kommt auch in Betracht, dass zum Angleichen der beiden Teilgeneratorsysteme die abgegebenen Leistungen der Teilgeneratorsysteme betrachtet und durch den Generatorfilter angeglichen werden. Damit kann eine Symmetrierung zwischen den Teilgeneratorsystemen erfolgen. Systembedingt erzeugen solche Teilgeneratorsysteme, weil sie in demselben Synchrongenerator realisiert sind, grundsätzlich ganz ähnliche Ausgangssignale, insbesondere Statorströme. Dazu auftretende kleinere Unterschiede können durch die Filtersteuerung, die den Generatorfilter steuert angeglichen werden.
Es kommt auch in Betracht, dass nicht unmittelbar die Statorströme der mehreren, besonders zwei Generatorsystemen betrachtet werden, sondern nur deren Oberwellen, und davon abhängig durch eine entsprechende Steuerung des Generatorfilters diese Oberwellen angeglichen werden. Auch hier spielt die Überlegung eine Rolle, dass unterschiedliche Oberwelligkeiten des jeweiligen Statorstroms sich auch in einer unterschiedlichen Leistungsabgabe der beiden Teilgeneratorsysteme auswirken kann. Auch hier sollten die Unterschiede gering sein, können gleichwohl vorhanden sein und sich bspw. in Geräu- sehen oder aber auch dem Laufverhalten des Generators bemerkbar machen.
Außerdem oder alternativ wird vorgeschlagen, dass die Filtersteuerung dazu vorbereitet ist. den Generatorfilter in Abhängigkeit des jeweiligen Stromsignals so zu steuern, dass Unterschiede im Strombelag innerhalb des jeweiligen Teilgeneratorsystems reduziert werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird somit vorgeschlagen, besonders die drei Phasen eines Statorstroms eines Teilgeneratorsystems zu betrachten und im Falle von Unsymmetrien, die zwischen diesen drei Phasen auftreten, den Generatorfilter entsprechend so zu steuern, dass diese Unsymmetrien zumindest reduziert werden. Diese Symmetrierung innerhalb eines Teilgeneratorsystems kann auch gleichzeitig oder kombiniert durchgeführt werden mit der beschriebenen Symmetrierung zwischen den einzelnen Teilgeneratorsystemen.
Die Vorbereitung der Filtersteuerung sieht auch hier insbesondere so aus, dass entsprechende Kompensationsanteile auf den Statorstrom aufgeprägt bzw. dazu addiert werden, um die gewünschte Symmetrierung zu erhalten. Das kann besonders dadurch erfolgen, dass ein Umrichter oder Wechselrichter als Generatorfilter verwendet wird und dieser Umrichter oder Wechselrichter die entsprechenden Stromkomponenten erzeugt und aufschaltet. Somit kann sowohl eine Symmetrierung jeweils in einem der Teilgeneratorsysteme vorgenommen werden. Es können auch Abweichungen zwischen den Teilgeneratorsystemen verringert werden.
Vorzugsweise ist die Windenergieanlage dadurch gekennzeichnet, dass
- ein gemeinsamer Gleichspannungszwischenkreis zum Bereitstellen einer Zwi- schenkreisspannung vorgesehen ist und
- für den bzw. jeden Statorstrom ein Gleichrichtmittel vorgesehen ist, um den Statorstrom gleichzurichten und dem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis zuzuführen, und
- zwischen dem Stator und jedem Gleichrichtmittel der gesteuerte Generatorfilter bzw. ein gesteuerter Teilfilter des gesteuerten Generatorfilters angeordnet ist, um den jeweiligen Statorstrom zu filtern, und
- wenigstens ein Wechselrichter vorgesehen ist, der eingangsseitig mit dem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist, um die Zwischenkreisspan- nung in ein dreiphasiges Strom- und Spannungssignal wechselzurichten, und wobei
- der Wechselrichter mit einem elektrischen Versorgungsnetz gekoppelt ist, oder dazu vorbereitet ist, um das dreiphasige Strom- und Spannungssignal in das elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen. Es wird somit ein gemeinsamer Gleichspannungszwischenkreist vorgeschlagen, auf den der gesamte Statorstrom gleichgerichtet wird, auch dann, wenn mehrere Teilsysteme bzw. mehrere Teilstatoren vorgesehen sind. Auf diesen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis greift dann der nachgeschaltete Wechselrichter zu. Für jeden Statorstrom ist ein gesteuerter Teilfilter vorgesehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass zum Steuern des Generators mehrere Steuerkennlinien vorhanden sind. Dazu wird vorgeschlagen, dass die Filtersteuerung dazu vorbereitet ist, zwischen mehreren Steuerkennlinien auszuwählen. Jede Steuerkennlinie ist dabei als eine Stromkennlinie ausgebildet und jede Stromkennlinie gibt eine Filtereinstellung, insbesondere einen Blindleistungswert, in Abhäng ig- keit des Statorstroms an. Je nach Bedarf kann also die entsprechende Steuerkennlinie ausgewählt bewerten und das führt dann dazu, dass abhängig eines Statorstroms eine entsprechende Filtereinstellung vorgenommen wird, insbesondere das abhängig eines Statorstroms ein Blindleistungswert einspeist. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise bspw. zwischen unterschiedlich dynamischen Reglern bzw. Reglereigenschaften gewählt werden. Bspw. können die Steuerkennlinien abhängig einer Unsymmetrie zwischen einzelnen Phasen oder auch abhängig einer Unsymmetrie zwischen mehreren Teilgeneratorsystemen ausgewählt werden. Außerdem können sie dann in Abhängigkeit besonders einer Amplitude des Statorstroms, bspw. seines Effektivwertes, die statorstromabhängige Blindleistung steuern. Es kommt aber auch in Betracht, dass die Steuerkennlinie in Abhängigkeit eines aufgenommenen Emissionssignals ausgewählt wird. Bspw. kann bei einer höheren Emission entsprechend eine steilere statorstromabhängige Blindleistungskennline ausgewählt werden. Die Filtersteuerung ist dazu besonders insoweit vorbereitet, als dass sie ein Speichermittel aufweist, in dem diese Stromkennlinien hinterlegt sind. Außerdem kann für eine Auswahl der so hinterlegten Stromkennlinie ein Prozessor vorgesehen sein, auf dem ein entsprechendes Auswählkriterium abgearbeitet wird.
Besonders können durch die Steuerkennlinien unterschiedliche Arbeitspunkte eingestellt werden.
Vorzugsweise wird auch vorgeschlagen, dass unterschiedliche Steuerkennlinien für unterschiedliche Anwendungsfälle vorgesehen werden. Insbesondere wird vorgeschlagen, als Steuerkennlinien eine Normalsteuerkennlinie, eine Geräuschsteuerkennlinie, eine Vergleichmäßigungskennlinie und eine Inertiakennlinie zu hinterlegen oder zumin- dest einige dieser Kennlinien.
Eine Normalsteuerkennlinie ist dabei eine Kennlinie, die zum Steuern des Generatorfilters so vorgesehen ist, dass der Statorstrom möglichst wenig Stromoberwellen aufweist. Eine solche Steuerung kann als Normalsteuerung und zugehörige Kennlinie somit als Normalsteuerkennlinie bezeichnet werden. Eine Geräuschsteuerkennlinie ist eine solche, die zum Steuern des Generatorfilters so vorgesehen ist, dass eine mechanische Schwingung bzw. eine Geräuschemission des Generators reduziert wird. Die Steuerkennlinie betrifft also speziell solche Schwingungsprobleme. Dazu kann die Geräuschsteuerkennlinie so vorgesehen sein, dass sie besonders eine Steuerungsregel beinhaltet, die dazu führt, dass der Generatorfilter so gesteu- ert wird, dass sich besonders die Geräusche reduzieren. Dazu kann diese Steuerkennlinie so ausgestaltet sein, dass besonders geräuschrelevante Komponenten des Statorstroms im Vordergrund stehen. Diese Geräuschsteuerkennlinie kann somit bspw. speziell so ausgelegt werden, dass Oberwellen im Bereich der 6. oder 12. Harmonischen in Bezug auf eine mechanische Grundschwingung kompensiert werden bzw. speziell solche Oberwellenkomponenten zur Reduzierung von dem Generatorfilter erzeugt werden.
Eine Vergleichmäßigungskennlinie ist eine solche Steuerkennlinie, die den Generatorfilter so steuert, dass Teilgeneratorsysteme einen möglichst geringen Leistungsunterschied aufweisen. Eine solche Vergleichmäßigungskennlinie kann besonders zur Anwendung für jede Phase oder für jedes Teilgeneratorsystem vorgesehen sein und eine Dynamik oder Steilheit aufweisen, die dazu führt, dass die Teilgeneratorsysteme bzw. die einzelnen Phasen zusammen einen stabilen Arbeitspunkt finden. Besonders kann die Steuerkennli- nie so eingestellt werden, dass sich die Systeme nicht in dem Versuch der Symmetrie- rung gegenseitig aufschwingen. Die Generatorsysteme weisen zumindest eine Dynamik auf und eine Steuerkennlinie, wenn sie im einfachsten Fall eine Gerade mit Steigung ist, kann dann einen Verstärkungsfaktor ausbilden bzw. wie ein Verstärkungsfaktor wirken. Je nach Wahl des Ve rstä rk u ng sfa ktors ergibt sich dann ein mehr oder weniger stark schwingendes System. Neben bekannten regelungstechnischen Auslegungen kommt hier auch in Betracht, unterschiedliche Steuerkennlinien in einer Simulation zu testen.
Statt der oder zusätzlich zur Untersuchung eines Leistungsunterschiedes kann die Vergleichmäßigungskennlinie auch für etwaige Stromunterschiede im Statorstrom vorgesehen sein, ist also so ausgelegt, dass der Stromunterschied, sei es nun zwischen den Teilgeneratorsystemen oder zwischen den Phasen jeweils eines Teilgeneratorsystems, möglichst gering ausfällt bzw. reduziert werden kann.
Eine Inertiakennlinie, die auch synonym als Kennlinie zum Bereitstellen einer Momentanreserve bezeichnet werden kann, ist eine solche, die zu einer Steuerung des Generatorfilters so führt bzw. verwendet wird, dass der Generator einen möglichst schnellen Leis- tungsanstieg realisieren kann. Ein solcher Momentanreservefall kann dann vorliegen, wenn ein plötzlicher Frequenzeinbruch eine kurzfristige höhere Einspeiseleistung erfordert. Das führt dann dazu, dass diese höhere Einspeiseleistung auch von dem Generator abzugeben ist. Der Generator muss dann mehr Leistung abgeben, wodurch er abgebremst wird. Diese Leistung, die der Generator plötzlich mehr abgeben muss, wird somit ebenfalls über den Statorstrom abgegeben und entsprechend ist dieser Statorstrom so zu steuern, dass er sich sehr schnell, bspw. innerhalb von 10 bis 50 ms, erhöht, bspw. um 10 Prozent. Eine solche schnelle Leistungserhöhung kann auch Auswirkungen auf die Stromqualität, insbesondere die Oberwellen haben. Außerdem ist zu beachten, dass die höhere Leistungsabgabe mit einem Abbremsen des Generators einhergeht, was wiederum zu einer Verringerung der Frequenz des Statorstroms führt. Für einen solchen Fall ist die Inertia- kennlinie vorgesehen. Vorzugsweise ist eine solche Inertiakennlinie besonders flach, so dass sie eher weniger als die anderen Kennlinien in die Steuerung eingreift. Dem liegt besonders die Erkenntnis zugrunde, dass zum Einen in einem solchen Fall, in dem eine Momentanreserve bereitgestellt werden muss, dieses Bereitstellen der Momentanreserve im Vordergrund steht. Außerdem ist ein solcher Fall der Momentanreserveeinspeisung vergleichsweise kurz, bspw. im Bereich von 10 Sekunden, so dass in dieser Zeit, in der sich auch die Frequenz des Statorstroms ändert, nicht mit einem Resonanzfall zu rechnen ist, weil kein dafür nötiger stationärer Fall vorliegt. Es ist also nicht mit Geräuschproblemen zu rechnen, und sollten doch Geräuschprobleme auftreten, so wären diese für den kurzen Zeitraum des Inertiafalls hinnehmbar. Die Inertiakennlinie kann aber auch so ausgebildet sein, dass ein besonders hoher Blindstrom eingespeist wird, um dadurch eine Erregung in dem Generator zu erhöhen und damit die Erhöhung der Abgabeleistung zusätzlich noch zu unterstützen. Eine solche Erhöhung der Abgabeleistung durch einen entsprechen geänderten Statorstrom kann die Leistungserhöhung in diesem Momentanreservefall beschleunigen. Auch für diese erläuterten Kennlinien wurde erkannt, dass diese unterschiedliche Arbeitspunkte einstellen können.
Insbesondere wird vorgeschlagen, dass die Filtersteuerung dazu vorbereitet ist, einen Arbeitspunkt des Generators zu verändern. Besonders ist die Filtersteuerung dazu vorbereitet, den Generatorfilter zum Verändern einer Erregung des Generators zu steuern. Insoweit werden hier vorstehend bereits beschriebene Maßnahmen vorgeschlagen. Es ist zu beachten, dass solche Maßnahmen, also besonders ein gezieltes Auswählen eines Arbeitspunktes auch anders als über eine der vorgeschlagenen Steuerkennlinien realisiert werden kann. Ganz generell wird vorgeschlagen, dass das Einstellen eines Arbeitspunktes durch den einstellbaren Generatorfilter durch das Einstellen von Blindleistung vorgenommen werden kann, also durch das Aufaddieren von Blindstrom auf den Statorstrom. Das kann besonders durch Verwendung eines aktiven Generatorfilters erfolgen, besonders über Verwendung eines Umrichters oder Wechselrichters als Generatorfilter. Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Steuern eines Statorstroms eines Generators einer Windenergieanlage vorgeschlagen. Auch hier ist der Generator als getriebeloser Synchrongenerator mit einem Stator und einem Läufer ausgebildet. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte, Filtern wenigstens eines Statorstroms des Generators mittels eines am Stator des Generators angeschlossenen Generatorfilters, wobei der Generatorfilter veränderbare Filtereigenschaften aufweist, und Steuern des Generatorfilters mittels einer Filtersteuerung, um die Filtereigenschaften einzustellen.
Das Einstellen der Filtereigenschaften kann hierbei und auch bei den übrigen Ausführungsformen auch bedeuten, dass Filtereigenschaften emuliert werden. Die bereits beschriebenen Ausführungsform, demnach durch den Generatorfilter ein Strom erzeugt und auf den Statorstrom aufgeschaltet wird, der sich so verhält, als sei ein passiver Filter angeschlossen, ist ein Beispiel einer Emulation von Filtereigenschaften.
Insbesondere verwendet das Verfahren eine Windenergieanlage gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Die vorstehend beschriebenen Aus- führungsformen einer Windenergieanlage beinhalten auch Beschreibungen zu Verfahrensschritten oder Verfahrenseigenschaften, zu denen besonders erläutert wurde, dass der Generatorfilter bzw. die Filtersteuerung dazu jeweils vorgesehen oder vorbereitet sind. Es wird vorgeschlagen, dass das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Ausführungsformen solche Verfahrensschritte oder Verfahrenseigenschaften umfassen kann. Erfindungsgemäß wird auch ein Generatorfilter einer Windenergieanlage zum Filtern eines Generatorstroms eines getriebelosen Synchrongenerators der Windenergieanlage vorgeschlagen. Ein solcher Generatorfilter umfasst einen Filteranschluss zum Anschließen des Generatorfilters an einen Statorstromausgang des getriebelosen Generators, und der Generatorfilter umfasst eine Filtersteuerung zum Steuern des Generatorfilters, wobei der Generatorfilter veränderbare Filtereigenschaften aufweist. Es wird somit insbesondere ein Generatorfilter vorgeschlagen, der dazu vorbereitet ist, so gesteuert zu werden, wie das gemäß wenigstens einer vorstehend beschriebenen Ausführungsform einer Windenergieanlage beschrieben ist.
Insgesamt wird, als Windenergieanlage, Generatorfilter oder Verfahren zum Steuern eines Statorstroms, eine Lösung vorgeschlagen, die grundsätzlich das Betriebsverhalten eines getriebe losen Synchrongenerators einer Windenergieanlage verbessern hilft. Dadurch eine Geräuschreduzierung zu erreichen oder zu unterstützen, ist einer der Aspekte. Grundsätzlich wird aber auch eine Verbesserung der Steuerbarkeit des Generators ermöglicht, weil die vorgeschlagenen Lösungen einen zusätzlichen Eingriff in die Steuerung des Generators schaffen, nämlich zusätzlich zur unmittelbaren Steuerung eines Erregerstroms im Läufer des Generators. Damit kann somit bspw. auch über diesen zusätzlichen Steuereingriff die Leistungserzeugung verbessert werden. Auch eine differenzierte Betrachtung unterschiedlicher Generatorteilsysteme ist möglich und es kann ein Ausgleich bei Unsymmetrien geschaffen werden. Überhaupt kann auch insgesamt durch den zusätzlichen Eingriff der Arbeitspunkt des Generators besser eingestellt werden.
Besonders auch der sog. Inertiafall bzw. Momentanreservefall, bei dem aus Rotationse- nergie eine Momentanreserve bereitgestellt wird, kann gezielt durch die vorgeschlagenen Lösungen adressiert werden. Besonders kann eine schnelle Bereitstellung der hierfür notwendigen Generatorleistung erreicht werden. Durch ein Erhöhen der Erregerleistung durch unmittelbare Steuerung der Erregerleistung im Läufer kann eine solche Leistungserhöhung gesteuert werden. Dabei sind aber besonders die Zeitkonstanten des Läufers für die Erregersteuerung zu beachten und solche Zeitkonstanten können bspw. im Bereich von 1 bis 2 Sekunden, insbesondere 1 bis 1 ,5 Sekunden liegen. Durch eine vorgeschlagene Steuerung eines aktiven Generatorfilters kann eine solche Zeit verkürzt werden. Die Leistungserhöhung durch Steuerung des Erregerstroms soll dabei insbesondere ergänzt werden. Besonders kann eine noch schnellere Erhöhung dieser Leistung erreicht werden, wobei dann aber durch eine Erhöhung des Erregerstroms diese erhöhte Abgabeleistung gut gehalten werden kann.
Im Ergebnis lässt sich durch die vorbeschriebene Lösung besonders eine Schallreduzierung erreichen, besonders auch für einen Synchrongenerator mit zwei 3-phasigen Systemen. Hier spielt besonders auch die Symmetrierung beider Teilsysteme eine Rolle. Außerdem kann eine Wirkungsgraderhöhung erreicht werden. Schließlich kann auch eine schnellere Steuerung besonders einer Abgabeleistung erreicht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung exemplarisch anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Darstellung. Figuren 2-4 zeigen jeweils einen Aufbau einer Filterschaltung mit Generator und Generatorfilter in einer schematischen Darstellung. Figur 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein 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. Figur 2 zeigt eine Anordnung 200, die besonders einen Generatorfilter 202 zeigt und wie dieser mit einem Generator 204 und einem Gleichrichter 206 verbunden ist.
Die Anordnung 200 geht somit von einem Generator 204 aus, der als getriebe loser Synchrongenerator ausgebildet ist und zwei Statorteilsysteme 208 aufweist. Die beiden Statorteilsysteme 208, die insoweit zwei Generatorteilsysteme bilden, sind im Wesentli- chen gleich, allerdings gegeneinander elektrisch um 30 Grad verschoben. Jedes der Statorteilsysteme 208 weist einen Statorstromausgang 210 auf, an dem jeweils ein 3- phasiger Statorstrom ls ausgegeben wird. Jeder Statorstrom ist vereinfachend mit einem Pfeil dargestellt, wobei jeder Statorstrom ls aber 3-phasig ist und somit jeweils eine Phase in jeder Leistung fließt. Jeder Statorstrom wird dann in jeweils einem Gleichrichtmittel 212 des Gleichrichters 206 gleichgerichtet. Es ergibt sich dabei ein gemeinsamer Gleichstrom bzw. eine gemeinsame Gleichspannung, die an den Gleichspannungszwischenkreis 214 bereitgestellt wird. Der Gleichspannungszwischenkreis umfasst zum Glätten und Halten seiner Gleichspannung einen Zwischenkreiskondensator 216. Ausgehend von der Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 214 kann dann ein Netzwechselrichter 1 18 einen gewünschten Wechselstrom erzeugen und in das symbolisch dargestellte elektrische Versorgungsnetz 220 einspeisen. Besonders auf die Weiterverwendung des Netzwerks 218 zur Einspeisung in das elektrische Versorgungsnetz 220 kommt es ist nicht im Detail an, so dass auch hier die Darstellung sehr vereinfachend ist. Der Generatorfilter 202 weist nun zwei Filterwechselrichter 222 auf, die jeweils einen Teilfilter bilden. Jeder Filterwechselrichter 222 ist an jeweils einem Statorstromausgang 210 angeschlossen und kann somit den betreffenden Statorstrom filtern.
Die Filterung erfolgt dann so, dass Spannungen am Statorstromausgang 210 gemessen werden, was auch jeweils durch den betreffenden Filterwechselrichter 222 erfolgen kann. Davon abhängig kann der Filterwechselrichter 222 dann einen entsprechenden Filterstrom bzw. eine Filterspannung erzeugen und dem Statorstrom ls aufaddieren. Dafür wird jeweils ein Filterstrom IF erzeugt, der hier auch 3-phasig ausgebildet ist. Jeder Filterstrom IF wirkt an dem jeweiligen Filteranschlusspunkt 224 auf den jeweiligen Statorstrom ls. Der Filteranschlusspunkt 224 ist im Grunde galvanisch identisch mit dem jeweiligen Statorstromausgang 210. Damit wirkt der Filterstrom IF auch auf den Generator 204, nämlich auf das jeweilige Statorteilsystem 208. Vorzugsweise wird zumindest ergänzend durch den Filterstrom IF ein Blindleistungsanteil an dem Filteranschlusspunkt 224 angeleitet und dieser Blindleistungsanteil wirkt dann über den Statorstromausgang 210 auf das betreffende Statorteilsystem 208 und beein- flusst damit dort den Generator 204 bzw. sein Verhalten.
Jeder Filterwechselrichter 222 kann über einen Gleichstromanschluss 226 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 214 verbunden sein und darüber einen Gleichstrom beziehen. Jeder Filterwechselrichter 222 kann dabei auch als rückspeisefähiger Gleichrichter vorgesehen sein bzw. arbeiten und einen Gleichstrom in den Gleichspannungszwischenkreis einspeisen.
In einer alternativen zweiten Ausgestaltung wird statt des Gleichstromanschlusses 226 zum Gleichspannungszwischenkreis 214 nur jeweils eine Kapazität 225 an die DC-Seite des Filterwechselrichters 222 angeschlossen, ohne diese mit dem Gleichspannungszwischenkreis zu verbinden. Der Filterwechselrichter 222 arbeitet dann so, dass er DC-seitig keine Energie zu- oder abführt. Der Filterwechselrichter 222 arbeitet hierbei so, dass der Filterstrom IF für einen längeren Zeitraum Energie weder zu- noch abführt. Für einen kurzen Zeitraum kann Energie in der DC-seitig angeschlossenen Kapazität zwischengespeichert und daraus wieder abgegeben werden. Das zeigt Fig. 3, die ansonsten der Figur 2 entspricht.
In einer alternativen dritten Ausgestaltung wird statt des Gleichstromanschlusses 226 zum Gleichspannungszwischenkreis 214 auch jeweils eine Kapazität 225 an die DC-Seite des Filterwechselrichters 222 angeschlossen, wie bei der zweiten Ausgestaltung, ohne diese mit dem Gleichspannungszwischenkreis 214 zu verbinden. Es wird aber eine DC- Verbindung 227 zwischen diesen Kapazitäten 225 der beiden Filterwechselrichters 222 vorgeschlagen, die aber keinen Kontakt zum Gleichspannungszwischenkreis 214 hat. Darüber können evtl. kleine Unsymmetrien der beiden Statorströme ls bzw. der beiden Statorteilsysteme 208 ausgeglichen werden. Das zeigt Fig. 4, die ansonsten der Figur 2 entspricht. Zum Steuern des Generatorfilters 202 und insbesondere der Filterwechselrichter 222 ist eine Filtersteuerung 228 vorgesehen, was wenigstens alle drei Ausgestaltungen betrifft. Diese Filtersteuerung 228 kommuniziert mit beiden Filterwechselrichtern 222. Damit kann die Filtersteuerung 228 auch die beiden Filterwechselrichter 222 untereinander steuern. Eine Symmetrierung oder zumindest teilweise Angleichung der beiden Statorteilsysteme 208 kann dann so vorgenommen werden, dass zunächst jeder Filterwechselrichter 222 den jeweiligen Statorstrom ls erfasst, also misst. Gleichzeitig kann dabei auch eine entsprechende Ausgangsspannung an jedem Statorstromausgang 210 erfasst werden.
Basierend auf diesen Messungen kann zum Einen eine entsprechende Steuerung jedes einzelnen Filterwechselrichters 222 vorgenommen werden, zum Anderen können diese Daten aber auch zur Filtersteuerung 228 zur gemeinsamen und insbesondere auch vergleichenden Auswertung gegeben werden. Die Filtersteuerung 228 kann dann entsprechende Steuerungsanweisungen an die Filterwechselrichter 222 geben. Diese Steuerungsanweisungen können dabei zwischen den beiden Filterwechselrichtern 222 unter- schiedlich sein. Es kommt auch in Betracht, dass jeder Filterwechselrichter 222 teilweise eine eigenständige Steuerung bzw. Regelung durchführt. Dazu kann die Filtersteuerung 228 entsprechende Steuerkennlinien an dem jeweiligen Filterwechselrichter 222 übertragen.
Es kommt auch in Betracht, was die Figur 2 nicht darstellt, dass weitere Steuerungsver- knüpfungen vorgesehen sind, nämlich zum Einen zu einer Erregersteuerung, die den Erregerstrom des Generators 204 steuert, andererseits aber auch zu einer Ausgangssteuerung, die den Netzwechselrichter 218 steuert. Weitere Auswertungen und Steuerverbindungen bspw. zu einer Erfassung der Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis 214 werden gemäß weiterer Ausführungsformen auch vorgeschlagen, sind in Figur 2 aber nicht dargestellt.
Es ist erkennbar, dass der Generatorfilter 202 dadurch, dass er im Wesentlichen aus zwei Filterwechselrichtern 222 und einer Filtersteuerung 228 aufgebaut ist, äußerst flexibel agieren kann. Im Grunde ist dadurch eine vielfältige Filterung und Steuerung möglich, die durch einen Prozessrechner vorbereitet und gesteuert werden kann. Die Umsetzung dieser Steuerung kann dann durch einen Filterwechselrichter 222 erfolgen. Ein solcher Filterwechselrichter 222 kann im Grunde ein herkömmlicher Wechselrichter sein, der auf die entsprechenden Spannungs- und Stromwerte ausgelegt ist. Vorzugweise wird ein Toleranzbandverfahren verwendet, um damit den Filterstrom IF präzise einstellen zu können. Somit können auch auftretende Effekte untersucht werden und dazu Steuerungslösungen geplant werden, die dann auf einfache Art und Weise durch entsprechende Ansteuerung der Filterwechselrichter 222 umgesetzt werden können.

Claims

Ansprüche
Windenergieanlage (100) umfassend
einen getriebelosen Generator (204), wobei der Generator (204) als Synchrongenerator mit einem Stator und einem Läufer ausgebildet ist, einen mit dem Stator gekoppelten Generatorfilter (202) zum Filtern eines Statorstroms, wobei der Generatorfilter (202) veränderbare Filtereigenschaften aufweist, und
eine Filtersteuerung (228) zum Steuern des Generatorfilters (202).
Windenergieanlage (100) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generatorfilter (202) zum Verändern der Filtereigenschaften steuerbare kapazitive Eigenschaften aufweist, insbesondere einen Filterabschnitt mit steuerbaren kapazitiven Eigenschaften aufweist.
Windenergieanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generatorfilter (202) als Umrichter oder Wechselrichter ausgebildet ist, oder einen Umrichter oder Wechselrichter umfasst.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generatorfilter zwischen dem Stator und einem Gleichrichtmittel zum Gelichrichten des Statorstromes angeordnet ist, und optional
der Generatorfilter in Reihe geschaltete Kapazitäten aufweist, so dass der Statorstrom vom Stator durch die Kapazitäten zu dem Gleichrichtmittel fließt, oder dass
der Generatorfilter, dazu vorbereitet ist, solche in Reihe geschaltete Kapazitäten zu emulieren.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generatorfilter (202) so gesteuert wird, dass
der Statorstrom so verändert wird, dass er im Generator (204) zu einer höheren abgegebenen Leistung führt, insbesondere so, dass der Statorstrom durch den Generatorfilter (202) einen kapazitiven Blindstromanteil aufweist, der die Erhöhung der abgegebenen Leistung bewirkt.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generatorfilter (202) dazu ausgelegt ist. den Statorstrom so zu filtern, dass mechanische Schwingungsanregungen des Generators (204) reduziert werden, insbesondere dass
der Generatorfilter (202) für einen Frequenzbereich ausgelegt ist, um den Statorstrom so zu filtern, dass mechanische Schwingungsanregungen des Generators (204) reduziert werden, insbesondere so, dass
eine sechste und/oder 12. Harmonische einer erwarteten oder erfassten mechanischen Schwingung reduziert werden.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Emissionsrückführung zum Rückführen eines Emissionssignals zur Filtersteuerung (228), wobei
das Emissionssignal repräsentativ für eine von dem Generator (204) abgegebene Emission ist, insbesondere eine Geräuschemission oder elektrische und/oder mechanische Schwingung, und
die Filtersteuerung (228) dazu vorbereitet ist, den Generatorfilter (202) in Abhängigkeit des zurückgeführten Emissionssignals zu steuern, um die vom Generator (204) abgegebene Emission zu reduzieren.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generator (204) mehrere Teilgeneratorsysteme (208) aufweist, insbesondere zwei dreiphasige Teilstatoren aufweist, um damit einen sechspha- sigen Statorstrom zu erzeugen,
ein Stromerfassungsmittel vorgesehen ist, zum Erfassen des Statorstroms jedes Teilgeneratorsystems (208) und zum Übertragen jeweils wenigstens eines für den Statorstrom repräsentativen Stromsignals an die Filtersteuerung (228) zum Steuern des Generatorfilters (202), und wobei
die Filtersteuerung (228) dazu vorbereitet ist, den Generatorfilter (202) in Abhängigkeit des Stromsignals so zu steuern, dass Unterschiede zwischen den Statorströmen und/oder zwischen abgegebenen Leistungen der Teilgeneratorsysteme (208) minimiert werden, und/oder.
die Filtersteuerung (228) dazu vorbereitet ist, den Generatorfilter (202) in Abhängigkeit des jeweiligen Stromsignals so zu steuern, dass Unterschiede im Strombelag innerhalb des jeweiligen Teilgeneratorsystems (208) reduziert werden.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein gemeinsamer Gleichspannungszwischenkreis zum Bereitstellen einer
Zwischenkreisspannung vorgesehen ist und
für den bzw. jeden Statorstrom ein Gleichrichtmittel vorgesehen ist, um den Statorstrom gleichzurichten und dem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis zuzuführen, und
zwischen dem Stator und jedem Gleich richtmittel der gesteuerte Generatorfilter bzw. ein gesteuerter Teilfilter des gesteuerten Generatorfilters angeordnet ist, um den jeweiligen Statorstrom zu filtern, und
wenigstens ein Wechselrichter vorgesehen ist, der eingangsseitig mit dem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist, um die Zwischenkreisspannung in ein dreiphasiges Strom- und Spannungssignal wechselzurichten, und wobei
der Wechselrichter mit einem elektrischen Versorgungsnetz gekoppelt ist, oder dazu vorbereitet ist, um das dreiphasige Strom- und Spannungssignal in das elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Filtersteuerung (228) dazu vorbereitet ist, den Generator (204) in Abhängigkeit des Statorstroms zu steuern, insbesondere dass
die Filtersteuerung (228) wenigstens eine Stromkennlinie aufweist, die eine Filtereinstellung, insbesondere einen Blindleistungswert, in Abhängigkeit des Statorstroms angibt. 1. Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum Steuern des Generators (204) mehrere Steuerkennlinien oder Steuervorschriften vorhanden sind, und die Filtersteuerung (228) dazu vorbereitet ist. zwischen mehreren Steuerkennlinien bzw. Steuervorschriften auszuwählen, wobei vorzugsweise jede Steuerkennlinie als eine Stromkennlinie ausgebildet ist und jede Stromkennlinie eine Filtereinstellung, insbesondere einen Blindleistungswert, in Abhängigkeit des Statorstroms angibt.
Windenergieanlage (100) nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ausgewählt werden kann zwischen Steuerkennlinien oder Steuervorschriften aus der Liste aufweisend:
eine Normalsteuerkennlinie oder Normalsteuervorschrift zum Steuern des Generatorfilters (202) so, dass der Statorstrom möglichst wenig Stromoberwellen aufweist,
eine Geräuschsteuerkennlinie oder Geräuschsteuervorschrift zum Steuern des Generatorfilters (202) so, dass eine mechanische Schwingung und/oder Geräuschemission des Generators (204) reduziert werden,
eine Vergleichmäßigungskennlinie oder Vergleichmäßigungsvorschrift zum Steuern des Generatorfilters (202) so, dass Teilgeneratorsysteme (208) untereinander oder in sich einen möglichst geringen Stromunterschied im Statorstrom oder Leistungsunterschied aufweisen und
einer Inertiakennlinie oder Inertiavorschrift zum Steuern des Generatorfilters (202) so, dass der Generator (204) einen möglichst schnellen Leistungsanstieg realisieren kann.
Windenergieanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Filtersteuerung (228) dazu vorbereitet ist, einen Arbeitspunkt des Generators (204) zu verändern, insbesondere dass die Filtersteuerung (228) dazu vorbereitet ist. den Generatorfilter (202) zum Verändern einer Ausgangsspannung oder abgegebenen Leistung des Generators zu steuern.
Verfahren zum Steuern eines Statorstroms eines Generators (204) einer Windenergieanlage (100), wobei der Generator (204) als getriebeloser Synchrongenerator mit einem Stator und einem Läufer ausgebildet, umfassend die Schritte
Filtern wenigstens eines Statorstroms des Generators (204) mittels eines am Stator des Generators (204) angeschlossenen Generatorfilters (202), wobei der Generatorfilter (202) veränderbare Filtereigenschaften aufweist, und Steuern des Generatorfilters (202) mittels einer Filtersteuerung (228). um die Filtereigenschaften einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Windenergieanlage (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird und/oder
der Generatorfilter (202) so gesteuert wird, wie gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 1 1 beschrieben ist.
Generatorfilter (202) einer Windenergieanlage (100) zum Filtern eines Generatorstroms eines getriebe losen Synchrongenerators (204) der Windenergieanlage (100). umfassend
einen Filteranschluss (224) zum Anschließen des Generatorfilters (202) an einen Statorstromausgang (210) des getriebelosen Generators (204), und eine Filtersteuerung (228) zum Steuern des Generatorfilters (202). wobei der Generatorfilter (202) veränderbare Filtereigenschaften aufweist.
17. Generatorfilter (202) nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generatorfilter (202) dazu vorbereitet ist, so gesteuert zu werden, wie gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 beschrieben ist.
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