EP3850721A1 - Windpark mit einer leistungsflusseinheit sowie eine solche leistungsflusseinheit - Google Patents

Windpark mit einer leistungsflusseinheit sowie eine solche leistungsflusseinheit

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EP3850721A1
EP3850721A1 EP19758400.6A EP19758400A EP3850721A1 EP 3850721 A1 EP3850721 A1 EP 3850721A1 EP 19758400 A EP19758400 A EP 19758400A EP 3850721 A1 EP3850721 A1 EP 3850721A1
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EP
European Patent Office
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electrical
wind farm
power flow
wind
flow unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP19758400.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Roberto Rosso
Sönke ENGELKEN
Marco Liserre
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Wobben Properties GmbH
Original Assignee
Wobben Properties GmbH
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Filing date
Publication date
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/30—Reactive power compensation

Definitions

  • the present invention relates to a wind farm having a power flow unit and to such a power flow unit.
  • Wind farms usually have a large number of wind energy plants which are connected to one another via a common wind farm network.
  • the wind farm network is usually further connected to the electrical supply network by means of a connecting line and a transformer.
  • the object of the present invention is therefore to address one of the above-mentioned problems, to improve the general state of the art or to provide an alternative to the previously known.
  • an improved connection between the wind farm and the electrical supply network is to be provided.
  • the wind farm comprises a large number of wind energy plants which, for example, have a synchronous generator with a full converter.
  • the wind energy plants themselves are connected to one another by means of an electrical wind farm network.
  • the wind energy plants have a transformer for this purpose, which is arranged between the full converter and the wind farm network.
  • the wind farm network itself, which can be designed as an AC network or as a DC network, has electrical parameters, such as voltage and nominal voltage or frequency and nominal frequency, just like the electrical supply network.
  • the nominal voltage of the wind farm network is preferably less than the nominal voltage of the electrical supply network, the supply network nominal voltage.
  • the nominal wind farm grid voltage is 630V and the nominal grid voltage is 10kV or 20kV.
  • wind farms usually have a transformer.
  • the power flow unit is thus at least set up to connect the electrical wind farm network and the electrical supply network to one another in such a way that an electrical power generated by the large number of wind energy installations can be fed into the electrical supply network.
  • the power flow unit is thus preferably arranged on one or the connecting line between the wind farm and the electrical supply network and is set up to carry the entire wind farm power.
  • the power flow unit has at least one DC intermediate circuit, which is set up to conduct at least the electrical power generated by the large number of wind energy plants.
  • the DC link is modular for this purpose or formed from several power cabinets.
  • the power flow unit has an electrical energy store connected to the direct current intermediate circuit.
  • the electrical energy store can be, for example, an electrical battery, the power class being selected in accordance with the wind farm output, in particular in order to implement the function called up by a control unit for the power flow unit independently of the current output of the wind energy plants.
  • the electrical energy store is designed so that it can provide at least 30 percent of the nominal wind farm output for at least 20 seconds.
  • the electrical energy store is thus at least set up to enable the wind farm to start black.
  • the power flow unit also has an inverter connected to the direct current intermediate circuit, which is set up to feed at least the electrical power generated by the large number of wind energy plants into the electrical supply network.
  • the inverter is preferably controlled using a tolerance band method.
  • the power flow unit is thus constructed in such a way that the power flow, which is generated by the wind energy plants, takes place from the wind farm network, into the intermediate circuit, to the inverter and then into the electrical supply network.
  • the inverter is preferably of modular construction, or has a large number of power cabinets connected in parallel.
  • the power flow unit or its components are dimensioned at least in such a way that the power flow unit can carry the nominal power of the wind farm, which results, for example, from the sum of the nominal powers of the wind energy plants. If further generators or storage units are arranged in the electrical wind farm network, these are preferably taken into account when determining the nominal output of the wind farm.
  • the electrical storage device is preferably also designed such that it has at least a storage capacity of 20 percent of the nominal wind farm power or a peak wind farm power.
  • the power flow unit and in particular the inverter are at least dimensioned such that the power flow unit can carry 120 percent of the rated output of the wind farm. It is particularly advantageous due to the arrangement of an inverter between the wind farm network and the electrical supply network that both the voltage and the frequency can be set. This makes it possible, for example, to implement frequency-controlling methods directly in the power flow unit. In this way, for example, reactive power control within the wind power plants can be dispensed with. This also has the advantage that frequency-controlling methods do not have to be installed in every individual wind energy installation in the wind farm, which can mean considerable cost savings.
  • the power flow unit also has electrical isolation, for example by means of a DC voltage converter
  • the usual wind farm transformer can also be dispensed with.
  • the power flow unit also has a control unit which is set up to control at least the inverter in such a way that the wind farm appears statically and dynamically on the electronic supply network like an electromechanical synchronous machine.
  • the power flow unit works like a virtual synchronous machine.
  • the wind farm acts like a large synchronous generator. It is particularly advantageous here that, although the individual wind energy plants are converter-controlled, the wind farm for the electrical supply network looks like a synchronous generator.
  • a rectifier or inverter on the wind farm network side can also be provided in the power flow unit and the control unit can be set up to control the power electronics of the power flow unit in such a way that the power flow unit has a voltage-shaping effect on the wind farm network.
  • the wind farm and / or the power flow unit are therefore particularly well suited for weak networks, that is to say electrical supply networks with a very low short-circuit ratio at the network connection point of the wind farm.
  • the power flow unit described above or below is designed as a smart transformer.
  • the power flow unit preferably also has a rectifier which is connected to the electrical wind farm network and to the DC voltage intermediate circuit and is configured to carry at least the electrical power generated by the large number of wind energy plants.
  • the power flow unit thus has a further inverter on the wind farm network side or an actively controlled rectifier or an AC / DC converter.
  • the power flow unit itself therefore has a full converter concept, which connects an AC-carrying wind farm network with an AC-carrying supply network.
  • the rectifier is actively controlled and has a voltage-shaping effect on the wind farm network. It is particularly advantageous here that such a rectifier additionally stabilizes the wind energy plants located in the wind farm.
  • the power flow unit preferably also has a DC voltage converter which is arranged between the rectifier and the inverter in such a way that the power flow unit has a further DC voltage intermediate circuit, in particular the DC voltage converter enabling electrical isolation between the rectifier and the inverter.
  • the power flow unit thus has a first DC link between the rectifier and the DC converter and a second DC link between the DC converter and the inverter.
  • the DC-DC converter is in particular set up to enable electrical isolation between the rectifier and the inverter.
  • this enables the wind energy plants to be decoupled from the electrical supply network, which enables a simpler design of the wind energy plants.
  • it is thus possible to dispense with a reactive power setting of the wind energy plants, since the reactive power setting of the wind farm is carried out by the power flow unit according to the invention.
  • the power flow unit preferably also has a DC / DC converter between the DC link and the electrical energy store, which is designed in particular in such a way that the electrical energy store can receive and / or emit electrical power independently of a power flow between the wind farm and the electrical supply network.
  • the electrical memory is also galvanically decoupled, in particular from the DC link of the power flow unit.
  • the electrical energy store is preferably connected to the DC voltage intermediate circuit between the DC voltage converter, which is arranged between the rectifier and the inverter, and the inverter.
  • the power flow unit is preferably designed such that the wind farm can be operated in a voltage-defining manner on the electrical supply network.
  • the power flow unit is thus set up to provide a voltage even when no load is connected. This means in particular that the power flow unit is set up to provide a voltage without feeding in a current.
  • a power flow unit is also proposed which is designed as described above or below.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a wind energy installation of a wind farm according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a wind farm according to the invention in one embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a wind farm according to the invention in a further embodiment.
  • FIG. 1 shows a wind turbine 100 of a wind farm according to the invention.
  • the wind energy installation 100 has a tower 102 and a nacelle 104.
  • An aerodynamic rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is arranged on the nacelle 104.
  • the rotor 106 is set into a rotary movement by the wind and thereby drives a generator in the nacelle 104.
  • the generator generates a current, which is fed by means of a full converter to a wind turbine transformer which is connected to a wind farm network.
  • FIG. 2 shows a schematic structure of a wind farm 1000 according to the invention in one embodiment.
  • the wind farm 1000 is connected to an electrical supply network 2000 for feeding in electrical power at the network connection point PCC, the supply network 2000 having a supply network voltage U_Netz, a supply network nominal voltage U_Netz_Nenn, a supply network frequency f_Netz and a supply network nominal Frequency f_Netz-nominal has.
  • the wind farm 1000 comprises a multiplicity of wind energy plants 1 100, for example four wind energy plants 100, as preferably shown in FIG. 1, each of which generates a wind energy plant power P_WEA.
  • the large number of wind energy installations 1100 are connected to one another via a common electrical wind farm network 1200, the wind farm network 1200 having a wind farm voltage U_Park, a wind farm nominal voltage U_Park_Nenn, a wind farm frequency f_Park and a wind farm nominal frequency f_Park_Nenn.
  • the wind farm network 1200 has a connecting line 1210 to the network connection point PCC.
  • the power flow unit 1300 according to the invention is arranged on this connecting line 1210.
  • the entire wind farm output P_Park is thus preferably conducted via the power flow unit 1300.
  • the power flow unit 1300 thus replaces the conventional wind farm transformer.
  • the power flow unit 1300 is thus set up to connect the electrical wind farm network 1200 and the electrical supply network 2000 to one another in such a way that an electrical power P_WEA generated by the large number of wind energy plants 1100 can be fed into the electrical supply network 1200.
  • the power flow unit 1300 has a rectifier 1310, a first DC voltage intermediate circuit 1320, a DC voltage converter 1330, a second DC voltage intermediate circuit 1340, an inverter 1350, a further DC voltage converter 1360, an electrical memory 1370 and a control unit 1390.
  • the rectifier 1310 is connected to the electrical wind farm network 1200 and the first DC voltage intermediate circuit 1320 and is set up to conduct at least the electrical power P_WEA generated by the large number of wind energy plants 1100.
  • the rectifier 1310 is actively controlled and has a voltage-shaping effect on the wind farm network 1200.
  • the first DC voltage intermediate circuit 1320 is connected to the rectifier 1310 and the second DC voltage converter 1330.
  • the DC / DC converter 1330 is connected to the first DC / DC link 1320 and the second DC / DC link 1340.
  • the DC voltage converter 1330 is thus arranged between the rectifier 1310 and the inverter 1350 in such a way that the power flow unit 1300 has a first and a second DC voltage intermediate circuit 1320, 1340.
  • the second DC voltage intermediate circuit 1340 is connected to the DC voltage converter 1340, the inverter 1350 and the second DC voltage converter 1360.
  • the inverter 1350 is connected to the second DC voltage intermediate circuit 1340 and the network connection point PCC.
  • the inverter is thus set up to feed at least the electrical power P_WEA generated by the large number of wind energy plants 1100 into the electrical supply network 2000.
  • the second DC voltage converter 1360 is connected to the second DC voltage intermediate circuit 1340 and the electrical energy store 1370.
  • the electrical energy store 1370 is thus connected to the DC voltage intermediate circuit 1340 between the DC voltage converter 1330 and the inverter 1350.
  • the electrical energy store 1370 and the DC / DC converter 1360 are designed as an assembly. This means in particular that they have an assigned control group which is responsible for the interaction between energy store 1370 and DC-DC converter 1360.
  • the DC-DC converters 1330, 1360 in particular enable power to be transported in two directions.
  • the DC-DC converter 1330 in the DC voltage intermediate circuit 1320, 1340 enables the power flow unit 1300 to absorb and / or emit active and / or reactive power, ie it can work in 4-quadrant mode.
  • the DC / DC converter 1360 of the electrical store 1370 also enables the electrical store 1360 to receive and / or output electrical power independently of the power flow between the rectifier 1310 and the inverter 1350.
  • the control unit 1390 is furthermore at least set up to control at least the inverter 1350 in such a way that the wind farm 1000 appears statically and dynamically on the electronic supply network 2000 like an electromechanical synchronous machine.
  • control unit or the power flow unit 1300 is also at least designed such that the wind farm 1000 can be operated in a voltage-defining manner on the electrical supply network 2000.
  • FIG. 2 thus essentially consists of two AC / DC converters 1310, 1350, which are connected by an additional DC / DC converter 1330.
  • the separate intermediate circuits 1320, 1340 allow two different voltage levels to be used, which enables the power flow converter 1300 to have a modular structure.
  • standardized power electronics can be used as a result.
  • the galvanic isolation by means of the DC / DC converter 1330 means that no transformer is required between the wind farm 1000 and the electrical supply network 2000.
  • the first DC voltage intermediate circuit 1320 has 690 V and the second DC voltage intermediate circuit 1340 has 1000 V.
  • a rectifier 1310 with 690 V output voltage can be used, whereas the electrical storage device has, for example, 1000 V output voltage.
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a wind farm 1000 according to the invention in a further embodiment.
  • the wind farm 1000 is connected to an electrical supply network 2000 for feeding in electrical power at the network connection point PCC, the supply network 2000 having a supply network voltage U_Netz, a supply network nominal voltage U_Netz_Nenn, a supply network frequency f_Netz and a supply network nominal frequency f_net nominal.
  • the wind farm 1000 comprises a multiplicity of wind energy plants 1 100, for example four wind energy plants 100, as preferably shown in FIG. 1, each of which generates a wind energy plant power P_WEA.
  • the large number of wind energy plants 1100 are connected to one another via a common electrical wind farm network 1200, the wind farm network 1200 having a wind farm voltage U_Park, a wind farm nominal voltage U_Park_Nenn, a wind farm frequency f_Park and a wind farm nominal frequency f_Park_Nenn having.
  • the wind farm 1200 To feed the electrical wind farm power P_PARK, which is composed of the individual wind power plant services P_WEA, into the electrical supply network 2000, the wind farm 1200 has a connecting line 1210 to the network connection point PCC.
  • the power flow unit 1300 is arranged on this connecting line 1210.
  • the entire wind farm output P_Park is thus preferably conducted via the power flow unit 1300.
  • the power flow unit 1300 comprises a transformer 1380. This can be associated with the power flow unit 1300 and can replace the usual wind farm transformer 1380 or can be the usual wind farm transformer 1380.
  • the power flow unit 1300 is thus set up to connect the electrical wind farm network 1200 and the electrical supply network 1200 to one another in such a way that an electrical power P_WEA generated by the large number of wind energy plants 1100 can be fed into the electrical supply network 1200.
  • the power flow unit 1300 has a rectifier 1310, a DC voltage intermediate circuit 1340, an inverter 1350, a DC voltage converter 1360, an electrical memory 1370 and a control unit 1390.
  • the rectifier 1310 is connected to the electrical wind farm network 1200 and the DC voltage intermediate circuit 1340 and is set up to conduct at least the electrical power P_WEA generated by the plurality of wind energy plants 1100.
  • the rectifier 1310 is actively controlled and has a voltage-shaping effect on the wind farm network 1200.
  • the DC voltage intermediate circuit 1340 is connected to the rectifier 1310, the inverter 1350 and the DC voltage converter 1360.
  • Inverter 1350 is connected to DC link 1340 and network node PCC. The inverter 1350 is thus set up to feed at least the electrical power P_WEA generated by the large number of wind energy plants 1100 into the electrical supply network 2000.
  • the DC voltage converter 1360 is connected to the DC voltage intermediate circuit 1340 and the electrical energy store 1370.
  • the electrical energy store 1370 is thus connected to the DC voltage intermediate circuit 1340 between the DC voltage converter 1330 and the inverter 1350.
  • the electrical energy store 1370 and the DC / DC converter 1360 are designed as an assembly. This means in particular that they have an assigned control group which is responsible for the interaction between energy store 1370 and DC / DC converter 1360.
  • the DC / DC converter 1360 enables power to be transported in two directions.
  • the DC / DC converter 1360 of the electrical store 1370 thus enables the electrical store 1360 to receive and / or output electrical power independently of the power flow between the rectifier 1310 and the inverter 1350.
  • the control unit 1390 is also at least set up to control at least the inverter 1350 in such a way that the wind farm 1000 appears statically and dynamically on the electronic supply network 2000 like an electromechanical synchronous machine.
  • control unit or the power flow unit 1300 is also at least designed such that the wind farm 1000 can be operated in a voltage-defining manner on the electrical supply network 2000.
  • the present invention offers a number of advantages, which are listed below, and not exhaustively:
  • the park-side control of the power flow unit i.e. by the active rectifier, thus provides an almost ideal voltage source for those in the wind farm network feed-in wind turbines, so that there are hardly any stability problems for the feed-in control of the wind turbines. They are therefore largely decoupled from the stability problems of the transmission network or supply network at the network connection point.
  • the grid-side inverter of the power flow unit is regulated as a virtual synchronous machine and it is known that a virtual synchronous machine can be operated stably even in very weak networks.
  • the rectifier and the inverter of the power flow unit offer the functionality of a voltage-defining inverter for the grid and for the wind farm. Since an energy store is also included in the power flow unit, black start capability can be achieved for the entire wind farm. The black start takes place in two steps: First, the wind farm network is energized with the stored energy in the power flow unit and the voltage characteristic of the park-side inverter, ie the rectifier. When the wind turbines are ready to be fed in, a voltage can also be impressed on the supply network side, with which initially obvious equipment (lines, transformers) are energized and then increasingly active power from the wind turbines can be fed into the network thus energized.
  • the reactive power capability of the wind farm is provided entirely by the power flow unit.
  • the control unit of the power flow unit replaces a parking control unit of the wind farm. Due to the voltage embossing on the wind farm side, including the option of regulating the frequency in the wind farm network differently from the network frequency, the frequency can also be used Communication between the power flow unit and the wind turbines can be used (e.g. active power control via frequency change with power-frequency statics). This also leads to a reduced scope of communication between the power flow unit and wind turbines compared to the current communication of power setpoints. Communication of reactive power setpoints is also completely eliminated.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Windpark (1000) zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz (2000), aufweisend eine Versorgungsnetz-Spannung (U_Netz), eine Versorgungsnetz-Nenn-Spannung (U_Netz_Nenn), eine Versorgungsnetz- Frequenz (f_Netz) und eine Versorgungsnetz-Nenn-Frequenz (f_Netz-Nenn), umfassend: eine Vielzahl von Windenergieanlagen (1100), ein die Vielzahl von Windenergieanlagen (1100) verbindendes, elektrisches Windparknetz (1200), aufweisend eine Windpark-Spannung (U_Park), eine Windpark-Nenn-Spannung (U_Park_Nenn), eine Windpark-Frequenz (f_Park) und eine Windpark-Nenn-Frequenz (f_Park_Nenn) und eine Leistungsflusseinheit (1300), die dazu eingerichtet ist, das elektrische Windparknetz (1200) und das elektrische Versorgungsnetz (1200) miteinander so zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) in das elektrische Versorgungsnetz (1200) eingespeist werden kann, wobei die Leistungsflusseinheit (1300) wenigstens aufweist: einen Gleichstrom-Zwischenkreis (1340), der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) zu führen, einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) verbundenen elektrischen Energiespeicher (1370), einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) verbundenen Wechselrichter (1350), der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) in das elektrische Versorgungsnetz (2000) einzuspeisen und eine Steuereinheit (1390), die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter (1350) so anzusteuern, dass der Windpark (1000) am elektronischen Versorgungsnetz (2000) statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.

Description

Windpark mit einer Leistungsflusseinheit sowie eine solche Leistungsflusseinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft einen eine Leistungsflusseinheit aufweisenden Windpark sowie eine solche Leistungsflusseinheit.
Windparks weisen üblicherweise eine Vielzahl von Windenergieanlagen auf, die über ein gemeinsames Windparknetz miteinander verbunden sind. Um die mittels der Windenergieanlagen erzeugte elektrische Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz einzuspeisen, wird das Windparknetz üblicherweise ferner mittels einer Verbindungsleitung und eines Transformators an das elektrische Versorgungsnetz angeschlossen.
Die zunehmende Durchdringung des elektrischen Versorgungsnetzes mit umrichterge- speisten Erzeugern, wie bspw. Windenergieanlagen und Photovoltaikanlagen, führt zu einer zunehmenden Verdrängung konventioneller Erzeuger, wie bspw. Kohlekraftwerken, die üblicherweise einen Synchrongenerator aufweisen, der direkt an das elektrische Versorgungsnetz gekoppelt ist. Durch diese Veränderungen verschiebt sich ebenfalls das Systemverhalten des elektrischen Versorgungsnetzes, wodurch Windenergieanlagen immer strengere Anforderungen erfüllen müssen, um sowohl stabil am elektrischen Versorgungnetz betrieben werden zu können, als auch das elektrische Versorgungsnetz stabil zu betreiben. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden immer modernere Regelverfahren geschaffen, die aufwendig in jeder Windenergieanlage einzeln implementiert und notfalls auch mit Hardware installiert werden müssen.
Diese Vorgehensweise ist üblicherweise äußerst kostspielig oder kann manchmal in bereits bestehenden Windenergieanlagen aus technischen Gründen nicht realisiert werden. Das Deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung zu vorliegender Anmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: US 2012/0292904 A1 , DE 10 2012 107 602 A1. CN 104 578 046 A und DE 10 2014 016 664 A1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eines der oben genannten Probleme zu adressieren, den allgemeinen Stand der Technik zu verbessern oder eine Alternative zu bisher Bekanntem bereitzustellen. Insbesondere soll eine verbesserte Verbindung zwischen Windpark und elektrischem Versorgungsnetz bereitgestellt werden.
Erfindungsgemäß wird somit ein Windpark zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Der Windpark umfasst hierfür eine Vielzahl von Windenergieanlagen, die bspw. einen Syn- chrongenerator mit Vollumrichter aufweisen.
Die Windenergieanlagen selbst sind mittels eines elektrischen Windparknetzes miteinander verbunden, bspw. weisen die Windenergieanlagen hierfür einen T ransformator auf, der zwischen dem Vollumrichter und dem Windparknetz angeordnet ist.
Das Windparknetz selbst, welches als Wechselstromnetz oder als Gleichstromnetz ausge- bildet sein kann, weist genauso wie das elektrische Versorgungsnetz elektrische Kenngrößen auf, wie bspw. Spannung und Nenn-Spannung oder Frequenz und Nenn-Frequenz. Die Nenn-Spannung des Windparknetzes, die Windpark-Nenn-Spannung, ist dabei bevorzugt kleiner als die Nenn-Spannung des elektrischen Versorgungsnetzes, die Versor- gungsnetz-Nenn-Spannung. Bspw. beträgt die Windparknetz-Nenn-Spannung 630V und die Versorgungsnetz-Nenn-Spannung 10kV oder 20kV. Um von der Windparknetz-Nenn-Spannung zur Versorgungsnetz-Nenn-Spannung zu gelangen, weisen Windparks üblicherweise einen Transformator auf.
Nachteilig bei dieser üblichen Lösung ist, dass ein Transformator nur dazu eingerichtet ist, die Spannungsamplitude zu stellen, aber nicht die Frequenz.
Hierdurch müssen sämtliche Regelverfahren in jeder einzelnen Windenergieanlage imple- mentiert werden, was sehr kostspielig sein kann.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, eine Leistungsflusseinheit für die Verbindung zwischen Windparknetz und elektrischem Versorgungsnetz zu verwenden.
Die Leistungsflusseinheit ist somit wenigstens dazu eingerichtet, das elektrische Windparknetz und das elektrische Versorgungsnetz so miteinander zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung in das elektrische Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
Die Leistungsflusseinheit ist somit bevorzugt auf einer bzw. der Verbindungsleitung zwischen Windpark und elektrischem Versorgungsnetz angeordnet und dazu eingerichtet, die gesamte Windparkleistung zu führen. Zudem weist die Leistungsflusseinheit wenigstens einen Gleichstrom-Zwischenkreis auf, der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung zu führen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichstrom-Zwischenkreis hierfür modular ausgeführt bzw. aus mehreren Leistungsschränken ausgebildet. Ferner weist die Leistungsflusseinheit einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis verbundenen elektrischen Energiespeicher auf. Der elektrische Energiespeicher kann bspw. eine elektrische Batterie sein, wobei die Leistungsklasse entsprechend der Windparkleistung gewählt ist, insbesondere um die von einer Steuereinheit abgerufenen Funktion für die Leistungsflusseinheit unabhängig der momentanen Leistung der Windenergieanlagen zu realisieren. Bspw. ist der elektrische Ener- giespeicher so ausgeführt, dass er wenigstens 30 Prozent der Windpark-Nennleistung für wenigstens 20 Sekunden bereitstellen kann. Der elektrische Energiespeicher ist somit wenigstens dazu eingerichtet, einen Schwarzstart des Windparks zu ermöglichen.
Darüber hinaus weist die Leistungsflusseinheit auch einen mit dem Gleichstrom-Zwischen- kreis verbundenen Wechselrichter auf, der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung in das elektrische Versorgungsnetz einzuspeisen. Bevorzugt wird der Wechselrichter mittels eines Toleranzbandverfahrens angesteuert.
Die Leistungsflusseinheit ist somit so aufgebaut, dass der Leistungsfluss, der durch die Windenergieanlagen erzeugt wirkt, vom Windparknetz, in den Zwischenkreis, zum Wech- selrichter und dann in das elektrische Versorgungsnetz erfolgt. Bevorzugt ist der Wechselrichter hierfür modular aufgebaut, bzw. weist eine Vielzahl von parallel geschalteten Leistungsschränken auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leistungsflusseinheit bzw. deren Bauteile wenigstens so dimensioniert, dass die Leistungsflusseinheit die Nenn-Leistung des Wind- parks führen kann, die sich bspw. aus der Summe der Nenn-Leistungen der Windenergieanlagen ergibt. Sofern weitere Erzeuger oder Speicher im elektrischen Windparknetz angeordnet sind, werden diese bevorzugt bei der Bestimmung der Nenn-Leistung des Windparks berücksichtigt.
Bevorzugt ist der elektrische Speicher ferner so ausgeführt, dass er wenigstens eine Spei- cherkapazität von 20 Prozent der Windpark-Nenn-Leistung bzw. einer Windpark-Spitzenleistung aufweist.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Leistungsflusseinheit und insbesondere der Wechselrichter somit wenigstens so dimensioniert, dass die Leistungsflusseinheit 120 Prozent der Nenn-Leistung des Windparks führen kann. Besonders vorteilhaft durch die Anordnung eines Wechselrichters zwischen Windparknetz und dem elektrischen Versorgungsnetz ist, dass sowohl die Spannung als auch die Frequenz gestellt werden können. Hierdurch ist es bspw. möglich, frequenzsteuernde Verfahren direkt in der Leistungsflusseinheit zu implementieren. Auf diese Weise kann bspw. auf eine Blindleistungssteuerung innerhalb der Windenergieanlagen verzichtet werden. Ferner hat dies den Vorteil, dass frequenzsteuernde Verfahren nicht in jeder einzelnen Windenergieanlage des Windparks installiert werden müssen, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeuten kann.
Sofern die Leistungsflusseinheit zudem eine galvanische Trennung aufweist, bspw. durch einen Gleichspannungswandler, kann zudem auf den üblichen Windparktransformator verzichten werden. Darüber hinaus ist es dann auch möglich, mittels eines weiteren Wechselrichters spannungsprägend auf das Windparknetz zu wirken.
Ferner weist die Leistungsflusseinheit zudem eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter so anzusteuern, dass der Windpark am elektronischen Versorgungsnetz statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
Es wird somit insbesondere vorgeschlagen, dass die Leistungsflusseinheit wie eine virtuelle Synchronmaschine arbeitet. D.h., dass der Windpark aus Sicht des elektrischen Versorgungsnetzes wie ein großer Synchrongenerator wirkt. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass, obwohl die einzelnen Windenergieanlagen umrichtergesteuert sind, der Windpark für das elektrische Versorgungsnetz wie ein Synchrongenerator aussieht.
Dies hat wiederum zur Folge, dass erfindungsgemäß konventionelle Kraftwerke durch Windparks leistungsgerecht ersetzt werden können, ohne dass sich das Systemverhalten des elektrischen Versorgungsnetzes signifikant ändert. Dies kann insbesondere auch dadurch erreicht werden, dass bei bereits bestehenden Windparks eine erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit zwischen Windparknetz und elektrischem Versorgungsnetz installiert wird. Erfindungsgemäß wird somit insbesondere eine Einheit, nämlich eine Leistungsflusseinheit, am Windparkanschlusspunkt vorgeschlagen, die eine Art von„Adapter“ für den Windpark darstellt, damit der Entwicklungsaufwand reduziert wird.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann zudem ein Gleichrichter bzw. Wechsel- richter windparknetzseitig in der Leistungsflusseinheit vorgesehen sein und die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Leistungselektronik der Leistungsflusseinheit so anzusteuern, dass die Leistungsflusseinheit spannungsprägend auf das Windparknetz wirkt.
Hierdurch erhöht sich zusätzlich die Stabilität der Anlagen und ermöglicht es, einen Windpark in einem elektrischen Versorgungsnetz mit sehr niedrigem Kurzschlussverhältnis (englischer Fachbegriff: Short Circuit ratio, SCR) zu betreiben. Der Windpark und/oder die Leistungsflusseinheit sind somit besonders gut für schwache Netze geeignet, also elektrische Versorgungsnetze mit einem sehr niedrigen Kurschlussverhältnis am Netzanschlusspunkt des Windparks.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die vorstehend oder nachstehend beschriebene Leistungsflusseinheit als smart transformer ausgebildet.
Vorzugsweise weist die Leistungsflusseinheit ferner einen mit dem elektrischen Windparknetz und mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis verbundenen Gleichrichter auf, der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen erzeugte, elektrische Leistung zu führen. Die Leistungsflusseinheit weist somit windparknetzseitig einen weiteren Wechselrichter auf bzw. einen aktiv gesteuerten Gleichrichter bzw. einen AC/DC-Wandler.
Die Leistungsflusseinheit selbst weist somit ein Vollumrichter-Konzept auf, welches ein wechselstromführendes Windparknetz mit einem wechselstromführenden Versorgungsnetz verbindet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichrichter aktiv gesteuert und wirkt auf das Windparknetz spannungsprägend. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass ein solcher Gleichrichter die im Windpark befindlichen Windenergieanlagen zusätzlich stabilisiert.
Vorzugsweise weist die Leistungsflusseinheit ferner einen Gleichspannungswandler auf, der so zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter angeordnet ist, dass die Leis- tungsflusseinheit einen weiteren Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweist, insbesondere, wobei der Gleichspannungswandler eine galvanische Trennung zwischen Gleichrichter und Wechselrichter ermöglicht.
Die Leistungsflusseinheit weist somit einen ersten Gleichspannungs-Zwischenkreis zwischen Gleichrichter und Gleichspannungswandler und einen zweiten Gleichspannungs- Zwischenkreis zwischen Gleichspannungswandler und Wechselrichter auf.
Der Gleichspannungswandler ist insbesondere dazu eingerichtet, eine galvanische Trennung zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter zu ermöglichen.
Dies ermöglicht insbesondere, dass die Windenergieanlagen vom elektrischen Versorgungsnetz entkoppelt sind, was eine einfachere Ausgestaltung der Windenergieanlagen ermöglicht. Bspw. kann so auf eine Blindleistungsstellung der Windenergieanlagen verzichtet werden, da die Blindleistungsstellung des Windparks durch die erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit vorgenommen wird.
Vorzugsweise weist die Leistungsflusseinheit ferner einen Gleichspannungswandler zwischen dem Gleichstrom-Zwischenkreis und dem elektrischen Energiespeicher auf, der ins- besondere so ausgebildet ist, dass der elektrische Energiespeicher unabhängig eines Leistungsflusses zwischen Windpark und elektrischem Versorgungsnetz elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgeben kann.
Es wird also ferner vorgeschlagen, dass auch der elektrische Speicher galvanisch entkoppelt ist, insbesondere vom Gleichspannungs-Zwischenkreis der Leistungsflusseinheit. Dies ermöglicht insbesondere, dass der elektrische Speicher im Wesentlichen unabhängig vom Betriebszustand des elektrischen Versorgungsnetzes oder Windparks betrieben werden. Vorzugsweise ist der elektrische Energiespeicher mit dem Gleichspannungszwischenkreis zwischen dem Gleichspannungswandler, der zwischen Gleichrichter und Wechselrichter angeordnet ist, und dem Wechselrichter verbunden.
Vorzugsweise ist die Leistungsflusseinheit so ausgebildet, dass der Windpark spannungs- prägend am elektrischen Versorgungsnetz betrieben werden kann. Die Leistungsflusseinheit ist somit dazu eingerichtet, eine Spannung bereitzustellen, auch wenn keine Last angeschlossen ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Leistungsflusseinheit dazu eingerichtet ist, eine Spannung bereitzustellen ohne einen Strom einzuspeisen.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Leistungsflusseinheit vorgeschlagen, die wie vorste- hend oder nachstehend beschrieben ausgeführt ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage eines erfindungsgemäßen Windparks, Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks in einer Ausführungsform und
Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks in einer weiteren Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 eines erfindungsgemäßen Windparks. Die Windenergieanlage 100 weist hierzu einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf. An der Gondel 104 ist ein aerodynamischer Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 1 10 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an. Der Generator erzeugt hierdurch einen Strom, der mittels eines Vollumrichters auf einen Windenergieanlagen- transformator gegeben wird, der mit einem Windparknetz verbunden ist. Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks 1000 in einer Ausführungsform.
Der Windpark 1000 ist zum Einspeisen elektrischer Leistung am Netzverknüpfungspunkt PCC mit einem elektrischen Versorgungsnetz 2000 verbunden, wobei das Versorgungs- netz 2000 eine Versorgungsnetz-Spannung U_Netz, eine Versorgungsnetz-Nenn-Span- nung U_Netz_Nenn, eine Versorgungsnetz-Frequenz f_Netz und eine Versorgungsnetz- Nenn-Frequenz f_Netz-Nenn aufweist.
Der Windpark 1000 umfasst hierfür eine Vielzahl von Windenergieanlagen 1 100, bspw. vier Windenergieanlagen 100, wie bevorzugt in Fig. 1 gezeigt, die jeweils eine Windenergiean- lagenleistung P_WEA erzeugen.
Die Vielzahl von Windenergieanlagen 1100 sind über ein gemeinsames elektrisches Windparknetz 1200 miteinander verbunden, wobei das Windparknetz 1200 eine Windpark- Spannung U_Park, eine Windpark-Nenn-Spannung U_Park_Nenn, eine Windpark-Fre- quenz f_Park und eine Windpark-Nenn-Frequenz f_Park_Nenn aufweist. Zum Einspeisen der elektrischen Windparkleistung P_PARK, die sich aus den einzelnen Windenergieanlagenleistungen P_WEA zusammensetzt, in das elektrischen Versorgungsnetz 2000, weist das Windparknetz 1200 eine Verbindungsleitung 1210 zum Netzverknüpfungspunkt PCC auf.
Auf dieser Verbindungsleitung 1210 ist die erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit 1300 angeordnet. Bevorzugt wird somit die gesamte Windparkleistung P_Park über die Leistungsflusseinheit 1300 geführt.
In dieser Ausführungsform ersetzt somit die Leistungsflusseinheit 1300 den üblichen Windparktransformator.
Die Leistungsflusseinheit 1300 ist somit dazu eingerichtet, das elektrische Windparknetz 1200 und das elektrische Versorgungsnetz 2000 so miteinander zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 1200 eingespeist werden kann. Hierfür weist die Leistungsflusseinheit 1300 einen Gleichrichter 1310, einen ersten Gleich- spannungszwischenkreis 1320, einen Gleichspannungswandler 1330, einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis 1340, einen Wechselrichter 1350, einen weiteren Gleichspannungswandler 1360, einen elektrischen Speicher 1370 und eine Steuereinheit 1390 auf.
Der Gleichrichter 1310 ist mit dem elektrischen Windparknetz 1200 und dem ersten Gleich- spannungs-Zwischenkreis 1320 verbunden und dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA zu führen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichrichter 1310 aktiv gesteuert und wirkt auf das Windparknetz 1200 spannungsprägend.
Der erste Gleichspannungs-Zwischenkreis 1320 ist mit dem Gleichrichter 1310 und dem zweiten Gleichspannungswandler 1330 verbunden.
Der Gleichspannungswandler 1330 ist dem ersten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1320 und dem zweiten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 verbunden. Der Gleichspan- nungswandler 1330 ist somit so zwischen dem Gleichrichter 1310 und dem Wechselrichter 1350 angeordnet, dass die Leistungsflusseinheit 1300 einen ersten und einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis 1320, 1340 aufweist.
Der zweite Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 ist mit dem Gleichspannungswandler 1340, dem Wechselrichter 1350 und dem zweiten Gleichspannungswandler 1360 verbun- den.
Der Wechselrichter 1350 ist mit dem zweiten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem Netzverknüpfungspunkt PCC verbunden. Der Wechselrichter ist somit dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 2000 einzuspeisen. Der zweite Gleichspannungswandler 1360 ist mit dem zweiten Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem elektrischen Energiespeicher 1370 verbunden. Der elektrische Energiespeicher 1370 ist somit mit dem Gleichspannungszwischenkreis 1340 zwischen Gleichspannungswandler 1330 und Wechselrichter 1350 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der elektrischen Energiespeicher 1370 und der Gleichspannungswandler 1360 als eine Baugruppe ausgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass sie eine zugeordnete Steuergruppe aufweisen, die für die Interaktion zwischen Energiespeicher 1370 und Gleichspannungswandler 1360 zuständig ist. Die Gleichspannungswandler 1330, 1360 ermöglichen dabei insbesondere einen Leistungstransport in zwei Richtungen. So ermöglicht der Gleichspannungswandler 1330 in den Gleichspannungszwischenkreis 1320, 1340, dass die Leistungsflusseinheit 1300 Wirk- und/oder Blindleistung aufnehmen und/oder abgegeben kann, d.h. im 4-Quadranten-Be- trieb arbeiten kann. Der Gleichspannungswandler 1360 des elektrischen Speichers 1370 ermöglicht zudem, dass der elektrische Speicher 1360 unabhängig vom Leistungsfluss zwischen dem Gleichrichter 1310 und dem Wechselrichter 1350 elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgegeben kann.
Die Steuereinheit 1390 ist ferner wenigstens dazu eingerichtet, wenigstens den Wechselrichter 1350 so anzusteuern, dass der Windpark 1000 am elektronischen Versorgungsnetz 2000 statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
Ferner ist die Steuereinheit bzw. die Leistungsflusseinheit 1300 auch wenigstens so ausgebildet, dass das Windpark 1000 spannungsprägend am elektrischen Versorgungsnetz 2000 betrieben werden kann.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform besteht somit im Wesentlichen aus zwei AC/DC- Wandlern 1310, 1350, die durch einen zusätzlichen DC/DC-Wandler 1330 verbunden sind.
Hierdurch wird eine galvanische Trennung zwischen den beiden Seiten der Leistungsflusseinheit 1300 und eine Trennung in zwei Zwischenkreisen 1320, 1340 ermöglicht.
Besonders vorteilhaft hierbei ist neben der galvanischen Trennung, dass durch die getrennten Zwischenkreise 1320, 1340 zwei unterschiedliche Spannungsniveaus verwendet wer- den können, was einen modularen Aufbau des Leistungsflusswandlers 1300 ermöglicht. Insbesondere können hierdurch standardisierte Leistungselektroniken verwendet werden. Insbesondere ermöglicht die galvanische Trennung durch den Gleichspannungswandler 1330, dass kein Transformator zwischen Windpark 1000 und elektrischem Versorgungsnetz 2000 benötigt wird.
Bspw. weist der erste Gleichspannungszwischenkreis 1320 690 V auf und der zweite Gleichspannungszwischenkreis 1340 1000 V. Hierdurch kann ein Gleichrichter 1310 mit 690 V Ausgangsspannung verwendet werden, wohingegen der elektrische Speicher bspw. 1000 V Ausgangsspannung aufweist.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Windparks 1000 in einer weiteren Ausführungsform. Der Windpark 1000 ist zum Einspeisen elektrischer Leistung am Netzverknüpfungspunkt PCC mit einem elektrischen Versorgungsnetz 2000 verbunden, wobei das Versorgungsnetz 2000 eine Versorgungsnetz-Spannung U_Netz, eine Versorgungsnetz-Nenn-Span- nung U_Netz_Nenn, eine Versorgungsnetz-Frequenz f_Netz und eine Versorgungsnetz- Nenn-Frequenz f_Netz-Nenn aufweist. Der Windpark 1000 umfasst hierfür eine Vielzahl von Windenergieanlagen 1 100, bspw. vier Windenergieanlagen 100, wie bevorzugt in Fig. 1 gezeigt, die jeweils eine Windenergieanlagenleistung P_WEA erzeugen.
Die Vielzahl von Windenergieanlagen 1100 ist über ein gemeinsames elektrisches Windparknetz 1200 miteinander verbunden, wobei das Windparknetz 1200 eine Wind-park- Spannung U_Park, eine Windpark-Nenn-Spannung U_Park_Nenn, eine Windpark-Fre- quenz f_Park und eine Windpark-Nenn-Frequenz f_Park_Nenn aufweist.
Zum Einspeisen der elektrischen Windparkleistung P_PARK, die sich aus den einzelnen Windenergieanlagenleistungen P_WEA zusammensetzt, in das elektrische Versorgungsnetz 2000, weist das Windpark 1200 eine Verbindungsleitung 1210 zum Netzverknüp- fungspunkt PCC auf.
Auf dieser Verbindungsleitung 1210 ist die erfindungsgemäße Leistungsflusseinheit 1300 angeordnet. Bevorzugt wird somit die gesamte Windparkleistung P_Park über die Leistungsflusseinheit 1300 geführt. Die Leistungsflusseinheit 1300 umfasst in dieser Ausführungsform einen Transformator 1380. Dieser kann zur Leistungsflusseinheit 1300 dazugehörig sein und den üblichen Windparktransformator 1380 ersetzen oder der übliche Windparktransformator 1380 sein.
Die Leistungsflusseinheit 1300 ist somit dazu eingerichtet, das elektrische Windpark-netz 1200 und das elektrische Versorgungsnetz 1200 so miteinander zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 1200 eingespeist werden kann.
Hierfür weist die Leistungsflusseinheit 1300 einen Gleichrichter 1310, einen Gleichspan- nungszwischenkreis 1340, einen Wechselrichter 1350, einen Gleichspannungswandler 1360, einen elektrischen Speicher 1370 und eine Steuereinheit 1390 auf.
Der Gleichrichter 1310 ist mit dem elektrischen Windparknetz 1200 und dem Gleichspan- nungs-Zwischenkreis 1340 verbunden und dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA zu führen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gleichrichter 1310 aktiv gesteuert und wirkt auf das Windparknetz 1200 spannungsprägend.
Der Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 ist mit dem Gleichrichter 1310, dem Wechselrichter 1350 und dem Gleichspannungswandler 1360 verbunden.
Der Wechselrichter 1350 ist mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem Netzverknüpfungspunkt PCC verbunden. Der Wechselrichter 1350 ist somit dazu eingerichtet, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen 1100 erzeugte, elektrische Leistung P_WEA in das elektrische Versorgungsnetz 2000 einzuspeisen.
Der Gleichspannungswandler 1360 ist mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 1340 und dem elektrischen Energiespeicher 1370 verbunden. Der elektrische Energiespeicher 1370 ist somit mit dem Gleichspannungszwischenkreis 1340 zwischen Gleichspannungswandler 1330 und Wechselrichter 1350 verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind der elektrischen Energiespeicher 1370 und der Gleichspannungswandler 1360 als eine Baugruppe ausgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass sie eine zugeordnete Steuergruppe aufweisen, die für die Interaktion zwischen Energiespeicher 1370 und Gleichspannungswandler 1360 zuständig ist. Die Gleichspannungswandler 1360 ermöglicht dabei insbesondere einen Leistungstransport in zwei Richtungen. Der Gleichspannungswandler 1360 des elektrischen Speichers 1370 ermöglicht also, dass der elektrischen Speicher 1360 unabhängig vom Leistungsfluss zwischen dem Gleichrichter 1310 und dem Wechselrichter 1350 elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgegeben kann. Die Steuereinheit 1390 ist ferner wenigstens dazu eingerichtet, wenigstens den Wechselrichter 1350 so anzusteuern, dass der Windpark 1000 am elektronischen Versorgungsnetz 2000 statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
Ferner ist die Steuereinheit bzw. die Leistungsflusseinheit 1300 auch wenigstens so ausgebildet, dass der Windpark 1000 spannungsprägend am elektrischen Versorgungsnetz 2000 betrieben werden kann.
Die vorliegende Erfindung bietet eine Reihe von Vorteilen, die nachfolgend, und nicht abschließend, gelistet sind:
1. Erfüllung spezieller Netzanforderungen zur Emulation einer Synchronmaschine, die sonst einen sehr hohen Aufwand für die Anpassung der Eigenschaften von aktuellen An- lagen benötigen würden (hardwaremäßig und softwaremäßig), bspw. nur mit der Einsetzung einer speziellen Einheit am Windparkanschlusspunkt. Eine virtuelle Impedanz kann durch die Regelung der virtuellen Synchronmaschine implementiert werden ohne Bedürfnisse von zusätzlichen Hardware Komponenten.
2. Da der parkseitige Wechselrichter als spannungsprägender Wechselrichter fungiert, wird die Stabilität des gesamten Parks erhört. Jede Anlage wird immer eine symmetrische
Spannung an ihren (oder seinen?) Klemmen messen, auch wenn Fehler im elektrischen Versorgungsnetz auftreten oder die tatsächliche Netzspannung stark oberschwingungsbehaftet ist. Die parkseitige Regelung der Leistungsflusseinheit, also durch den aktiven Gleichrichter, stellt damit eine nahezu ideale Spannungsquelle für die in das Windparknetz einspeisenden Windenergieanlagen dar, sodass kaum Stabilitätsprobleme für die Einspeiseregelung der Windenergieanlagen auftreten. Sie sind damit weitgehend von den Stabilitätsproblemen des Übertragungsnetzes bzw. Versorgungsnetzes am Netzverknüpfungspunkt entkoppelt. Der netzseitige Wechselrichter der Leistungsflusseinheit wird als virtuelle Synchronmaschine geregelt und es ist bekannt, dass eine virtuelle Synchronmaschine auch in sehr schwachen Netzen stabil betrieben werden kann. Somit sind zuerst die Stabilitätsprobleme der Einspeisung von der Windenergieanlage an den Netzverknüpfungspunkt des Parks verlagert, wo sie zentral mit einer sehr stabilen Regelung gelöst werden können. 3. Der Gleichrichter und der Wechselrichter der Leistungsflusseinheit bieten die Funktionalität eines spannungsprägenden Wechselrichters jeweils für das Netz und für den Windpark an. Da zusätzlich in der Leistungsflusseinheit ein Energiespeicher enthalten ist, kann eine Schwarzstartfähigkeit für den gesamten Windpark erreicht werden. Der Schwarzstart erfolgt in zwei Schritten: Zuerst wird mit der gespeicherten Energie in der Leistungsflussein- heit und der Spannungsprägung des parkseitigen Wechselrichters, also des Gleichrichters, das Windparknetz unter Spannung gesetzt. Wenn die Windenergieanlagen einspeisebereit sind, kann auch auf Versorgungsnetz-Seite eine Spannung eingeprägt werden, womit zuerst naheliegende Betriebsmittel (Leitungen, Transformatoren) unter Spannung gesetzt werden und dann zunehmend Wirkleistung aus den Windenergieanlagen in das so unter Spannung gesetzte Netz eingespeist werden kann.
4. Da der Park mit einem Back-to-Back-Wandler zum Netz verbunden ist, müssen die einzelnen Anlagen keine (oder nur noch eine sehr geringe) Blindleistung einspeisen. Zusätzlich ergibt sich durch die reduzierte Scheinstromamplitude im Windpark eine Reduzierung der Verluste in den Kabeln des Windparks. 5. Jede Windenergieanlage kann mit weniger Leistungsschränken ausgestattet werden.
Die Blindleistungsstellfähigkeit des Windparks wird komplett durch die Leistungsflusseinheit bereitgestellt.
6. Die Steuereinheit der Leistungsflusseinheit ersetzt eine Parkregeleinheit des Windparks. Durch die Spannungsprägung auf der Windparkseite inkl. der Möglichkeit, die Frequenz im Windparknetz abweichend von der Netzfrequenz zu regeln, kann die Frequenz auch zur Kommunikation zwischen Leistungsflusseinheit und den Windenergieanlagen genutzt werden (z.B. Wirkleistungsregelung über Frequenzänderung mit Leistungs-Frequenz-Statik). Dies führt auch zu einem reduzierten Kommunikationsumfang zwischen Leistungsflusseinheit und Windenergieanlagen gegenüber der aktuellen Kommunikation von Leistungssoll- werten. Die Kommunikation von Blindleistungssollwerten entfällt zudem komplett.
7. Klassische Probleme von konventionellen Trafos werden vermieden, z.B. Inrush Cur- rents und Sättigung (Spannungsqualität).
8. Zudem wird ermöglicht, dass der Windpark oder nur ein Teil des Windparks mit einem Multi-Terminal HVDC Übertragungsnetz direkt verbunden werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Windpark (1000) zum Einspeisen elektrischer Leistung in ein elektrisches Versorgungsnetz (2000), aufweisend eine Versorgungsnetz-Spannung (U_Netz), eine Versor- gungsnetz-Nenn-Spannung (U_Netz_Nenn), eine Versorgungsnetz-Frequenz (f_Netz) und eine Versorgungsnetz-Nenn-Frequenz (f_Netz-Nenn), umfassend: eine Vielzahl von Windenergieanlagen (1100), ein die Vielzahl von Windenergieanlagen (1100) verbindendes, elektrisches Windparknetz (1200), aufweisend eine Windpark-Spannung (U_Park), eine Windpark- Nenn-Spannung (U_Park_Nenn), eine Windpark-Frequenz (f_Park) und eine Wind- park-Nenn-Frequenz (f_Park_Nenn) und eine Leistungsflusseinheit (1300), die dazu eingerichtet ist, das elektrische Windparknetz (1200) und das elektrische Versorgungsnetz (1200) miteinander so zu verbinden, dass eine von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) in das elektrische Versorgungsnetz (1200) eingespeist werden kann, wobei die Leistungsflusseinheit (1300) wenigstens aufweist: einen Gleichstrom-Zwischenkreis (1340), der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1 100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) zu führen, einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) verbundenen elektrischen Energiespeicher (1370), einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) verbundenen Wechselrichter (1350), der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) in das elektrische Versorgungsnetz (2000) einzuspeisen und - eine Steuereinheit (1390), die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter (1350) so anzusteuern, dass der Windpark (1000) am elektronischen Versorgungsnetz (2000) statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
2. Windpark (1000) nach Anspruch 1 , wobei die Leistungsflusseinheit (1300) ferner einen mit dem elektrischen Windparknetz (1200) und mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (1340) verbundenen Gleichrichter (1310) aufweist, der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) zu führen.
3. Windpark (1000) nach Anspruch 2, wobei die Leistungsflusseinheit (1300) ferner einen Gleichspannungswandler (1330) auf- weist, der so zwischen dem Gleichrichter (1310) und dem Wechselrichter (1350) angeordnet ist, dass die Leistungsflusseinheit (1300) einen weiteren Gleichspannungs-Zwischenkreis (1320) aufweist, insbesondere wobei der Gleichspannungswandler (1330) eine galvanische Trennung zwischen Gleichrichter (1310) und Wechselrichter (1350) ermöglicht.
4. Windpark (1000) nach Anspruch 3, wobei der elektrische Energiespeicher (1370) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (1340) zwischen Gleichspannungswandler (1330) und Wechselrichter (1350) verbunden ist.
5. Windpark (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - die Leistungsflusseinheit (1300) ferner einen Gleichspannungswandler (1360) zwischen dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) und dem elektrischen Energiespeicher (1370) aufweist, der so ausgebildet ist, dass der elektrische Energiespeicher (1370) unabhängig eines Leistungsflusses zwischen Windpark (1000) und elektrischem Versorgungsnetz (2000) elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgeben kann.
6. Windpark (1000) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leistungsflusseinheit (1300) so ausgebildet ist, dass der Windpark (1000) spannungsprägend am elektrischen Versorgungsnetz (2000) betrieben werden kann.
7. Leistungsflusseinheit (1300) für einen Windpark, insbesondere umfassend eine Viel- zahl von Windenergieanlagen, die wenigstens dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Windparknetz (1200) und ein elektrisches Versorgungsnetz (1200) so miteinander zu verbinden, dass eine von einer Vielzahl von Windenergieanlagen (1 100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) in das elektrische Versorgungsnetz (1200) eingespeist werden kann, wobei die Leistungsflusseinheit (1300) wenigstens aufweist: - einen Gleichstrom-Zwischenkreis (1340), der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1 100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) zu führen, einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) verbundenen elektrischen Energiespeicher (1370), - einen mit dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) verbundenen Wechselrichter (1350), der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1100) erzeugte, elektrische Leistung (P_WEA) in das elektrische Versorgungsnetz (2000) einzuspeisen und eine Steuereinheit (1390), die dazu eingerichtet ist, wenigstens den Wechselrichter (1350) so anzusteuern, dass der Windpark (1000) am elektronischen Versorgungsnetz (2000) statisch wie dynamisch wie eine elektromechanische Synchronmaschine erscheint.
8. Leistungsflusseinheit (1300) nach Anspruch 7, ferner umfassend: einen mit dem elektrischen Windparknetz (1200) und mit dem Gleichspannungs- Zwischenkreis (1340) verbundenen Gleichrichter (1310), der dazu eingerichtet ist, wenigstens die von der Vielzahl der Windenergieanlagen (1 100) erzeugte, elektri- sehe Leistung (P_WEA) zu führen.
9. Leistungsflusseinheit (1300) nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend: einen Gleichspannungswandler (1330), der so zwischen dem Gleichrichter (1310) und dem Wechselrichter (1350) angeordnet ist, dass die Leistungsflusseinheit (1300) einen weiteren Gleichspannungs-Zwischenkreis (1320) aufweist, insbeson- dere wobei der Gleichspannungswandler (1330) eine galvanische Trennung zwischen Gleichrichter (1310) und Wechselrichter (1350) ermöglicht.
10. Leistungsflusseinheit (1300) nach Anspruch 9, wobei der elektrische Energiespeicher (1370) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (1340) zwischen Gleichspannungswandler (1330) und Wechselrichter (1350) ver- bunden ist.
1 1. Leistungsflusseinheit (1300) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, ferner umfassend: einen zwischen dem Gleichstrom-Zwischenkreis (1340) und dem elektrischen Energiespeicher (1370) angeordneten Gleichspannungswandler (1360), der so ausgebildet ist, dass der elektrische Energiespeicher (1370) unabhängig eines Leistungs- flusses zwischen Windpark (1000) und elektrischem Versorgungsnetz (2000) elektrische Leistung aufnehmen und/oder abgeben kann.
12. Leistungsflusseinheit (1300) nach einem der Ansprüche 7 bis 1 1 , wobei die Leistungsflusseinheit (1300) so ausgebildet ist, dass der Windpark (1000) spannungsprägend am elektrischen Versorgungsnetz (2000) betrieben werden kann.
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