WO1990007823A1 - Regulation and control system for a wind power plant - Google Patents

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WO1990007823A1
WO1990007823A1 PCT/AT1989/000126 AT8900126W WO9007823A1 WO 1990007823 A1 WO1990007823 A1 WO 1990007823A1 AT 8900126 W AT8900126 W AT 8900126W WO 9007823 A1 WO9007823 A1 WO 9007823A1
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PCT/AT1989/000126
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Inventor
Josef Wiesmann
Manfred Kainz
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Elin Energieversorgung Gesellschaft M.B.H.
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0272—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor by measures acting on the electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/101—Purpose of the control system to control rotational speed (n)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2270/103—Purpose of the control system to affect the output of the engine
    • F05B2270/1033—Power (if explicitly mentioned)
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05B2270/00—Control
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    • F05B2270/706—Type of control algorithm proportional-integral-differential
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a regulating and control system for a wind power plant, consisting of a wind turbine and a synchronous generator driven by the latter, the wind turbine being designed as a rotor that can be rotated about an axis and with adjustable rotor blades and from the respective one Turbine speed actual value different electrical default values are formed.
  • Wind turbines serve to convert the energy contained in the wind into electrical energy.
  • a wind turbine with propeller-like blades is mounted on a horizontal or vertical axis. This axis is usually connected to a generator via a gearbox.
  • lattice towers are preferably set up in order to offer the smallest possible surface for the wind.
  • tubular towers should be used for large systems.
  • the object of the invention is therefore to provide a regulation and control system which all parameters acting on a wind turbine during takes up and takes into account the entire operating sequence immediately, and operates fully automatically and ensures reliable delivery of electrical energy with constant voltage and stable phase position.
  • the object is achieved by the invention.
  • the turbine speed actual value is fed to the input of a first smoothing stage of first order and a first active filter and a second active filter and a second smoothing stage of first order as well as a first curve generator, and that the output of the first smoothing stage of first order is connected to the input of a power setpoint generator and that the output of the power setpoint generator is connected to the input of a power limitation stage and that the output of the power limitation stage is connected to a first input of a PID power regulator and the input of a third smoothing stage first order and the output of the first active filter, and that the input of a second curve generator is connected to the output of the third smoothing stage of the first order, and that the output of the PID power controller is connected to a first input of a current controller and the output of the a active filter, and that the output of the current regulator is connected indirectly to a power supply network via a grating control unit and thyristors, and that the actual current value is fed to
  • the system In fully automatic operation, the system always tracks the respective wind direction. With appropriate Wind speed the turbine is started up; speed and power are regulated in accordance with the set values depending on the wind speed. All parameters, such as turbine speed, wind direction, generator power and temperatures occurring in various parts of the system are continuously monitored. If one of these parameters changes, the appropriate precautions are automatically taken to either continue to operate the system at the optimum operating point or to ensure that it is safely shut down when limit values are reached.
  • the wind-dependent turbine speed control is based on a method that the turbine itself uses as an indirect wind measurement system.
  • a strongly fluctuating wind supply has an effect due to an equally strongly fluctuating speed change in the turbine.
  • This direct speed detection on the turbine shaft makes it possible to use the power speed controller to set the desired value for the power output immediately after the speed has changed.
  • the regulation and control system permits constant voltage maintenance of the network voltage and enables a stable phase position of the network output power, that is to say the delivery of active power into the network remains the same Wind speed constant and optimally adapted to the generation by the wind turbine. Despite constant network frequency, this requires a variable speed of the generator coupled to the wind turbine.
  • the voltage regulation of the generator takes place via a brushless AC exciter to an output voltage proportional to the speed of the generator.
  • the synchronous generator can thus be optimally used and capable of delivering active power to a DC intermediate circuit.
  • This DC link feeds a line-commutated converter, which enables the active power to be delivered to the network.
  • the control device of the synchronous generator not only has to effect the regulation of the synchronous generator voltage proportional to the speed, but also to regulate the generator voltage proportionally to the mains voltage at constant nominal speed or brief overspeed. This is necessary for the safe function of the line-guided converter.
  • a special development of the invention is that a first input of a monitoring unit, which detects errors in the PID voltage regulator and in the synchronous generator, is connected to the second input of the PID voltage regulator, and that a second input of the monitoring unit is connected to the first input of the PID voltage regulator is connected, and that the output of the monitoring unit is connected via a comparator and via a timing element to a trigger mechanism for generator shutdown.
  • 1 shows, in the form of a basic drawing, all the mechanical, regulation and control technology and EDP main components of a complete wind turbine.
  • 2 shows, as a block diagram, the regulation and control system according to the invention with voltage, power and speed regulation, as well as the generator monitoring.
  • the most important parameter for a wind turbine is the speed.
  • the wind turbine itself is used as an indirect wind measurement system, since there is a direct connection between wind speed, turbine and generator rotor speed and generator power. From the respective
  • the invention makes it possible to detect large changes in speed, caused by wind gusts, quickly and without delay and to intervene immediately with the control. To slow control systems would lead to a large increase in speed in the event of gusts. In the present case, the speed increase is limited to a maximum of 5% above the nominal speed value.
  • the mechanical and electrical components required for the electrical energy generation are located on a rotatable nacelle which is attached to the tower head. According to the changing wind path, the
  • the gondola always follows the wind.
  • the control required for this is electrical, while the braking of the nacelle is carried out hydraulically.
  • This entire rotating device is also referred to as azimuth.
  • a wind turbine (50) drives a synchronous generator (52) via a conversion gear (51).
  • An input unit (53) of a freely programmable control (56) is supplied with all digital and analog input signals of a complete wind turbine.
  • transfer gear temperature (71), transfer gear oil level (72), azimuth brake wear (74, 75), rotor brake wear (73, 78), synchronous generator temperature (76), synchronous generator speed (77), Synchronous generator excitation (79), blade position (80), nacelle position (81), azimuth vibration (82), wind speed (83), wind direction (84), azimuth position (85), hydraulic oil temperature (86), hydraulic oil pressure (87), hydraulic oil level (88), wind turbine blade position (89), wind turbine blade sail position (90), hydraulic unit state (91), control of the hydraulic rotor brakes (92), control of the hydraulic azimuth brakes (93), control of the hydraulic wind turbine blade adjustment (94), control of the hydraulic throttle valve (95).
  • the wind turbine speed (70) is recorded via tooth flanks (96) by means of a sensor (97).
  • the freely programmable controller (56) is a modular microprocessor system and consists of the following units: module for digital inputs (58), module for analog inputs (59), display panel (60), control panel (61), module for digital outputs (63 ), Module for analog outputs (64), bus system (65), computer (62) and auxiliary relay (57). These units are connected to each other by a wiring board.
  • the digital and the analog inputs are fed from the input unit (53) to the respectively assigned units (58, 59) of the freely programmable control (56).
  • the digital and analog outputs are set via the integrated computer system.
  • the set digital and analog outputs are fed to the corresponding system components.
  • the digital outputs (63) are guided via auxiliary relays (57), whose task is to convert the digital output signals of the freely programmable control (56) to the level of the control voltage.
  • the respective user program links the digital and analog inputs and outputs in software.
  • the freely programmable controller (56) is connected to the personal computer (66) via a serial interface.
  • a converter cascade (55) and an excitation unit (54) are guided by the freely programmable controller (56) in accordance with the specified power-speed characteristic.
  • a line (98) leads from the converter cascade (55) to the power supply network.
  • the power limiting stage (3) connected downstream of the power setpoint generator (2), the power delivered to a power supply network is limited or continuously adjusted, depending on external specifications, in the range from zero to nominal power. The entire remaining control system remains fully active.
  • An active filter (4) acts directly on the PID power controller (5).
  • superimposed frequencies occur in the turbine speed actual value. Due to the specially designed active filter (4), only a superimposed frequency is screened out and supplied to the power setpoint signal obtained.
  • the newly generated power setpoint signal has a positive damping effect on the tower vibration.
  • the tower vibrations caused by sudden gusts of wind are combated from the very beginning of their formation. This results in a lower load and a longer service life for the wind turbine.
  • the power fluctuations occurring due to the tower vibrations are very small, based on the synchronous generator nominal power, and have no influence on the power supply network.
  • the PID power controller (5) has the following tasks: In conjunction with the synchronous generator and the converter cascade (55), the speed is controlled in a sliding manner. The wind-dependent fluctuating torque leads to turbine speed changes, which in turn leads to strongly fluctuating power setpoint specifications. Adequate damping of the PID power controller (5) smoothes out power fluctuations by using the large masses of the wind turbine blade and rotor as a short time buffer.
  • An active filter (6) acts directly on an underlying current regulator (7) which is embodied in analog technology.
  • the active filter (6) screens out superimposed frequencies and feeds them to the current regulator (7). Vibrations occurring in the wind turbine rotor blades are thereby reduced, which in turn results in a lower load and a longer service life of the wind power plant.
  • This second active filter (6) which acts directly on the current controller (7), is chosen because the damped PID power controller (5) does not take into account the relatively high frequency of the oscillation that occurs.
  • the PID speed controller (12) also shown in FIG. 2, is constructed digitally.
  • the rotor blade angle controller (15) underpinned by the PID speed controller (12) is designed using analog technology.
  • a first-order smoothing stage (11) the turbine speed actual value is smoothed again before it is fed to the PID speed controller (12).
  • the PID speed controller (12) only becomes active when the set nominal speed setpoint is exceeded.
  • the nominal speed setpoint is set above the maximum speed value of the power limitation stage (3).
  • the PID speed controller (12) only reacts after the speed value of the power limitation stage (3) has been exceeded. This means that there is a steady supply of wind the power kept constant at nominal power.
  • the PID speed controller (12) is designed in such a way that the nominal speed is exceeded by a maximum of 5% even with strong wind gusts. Of course, this must not lead to increased regulation of the wind turbine rotor blade, because a shortening of the service life of the hydraulic system would be the consequence.
  • the wind turbine rotor blade is tracked from a predetermined output. This is necessary because of that
  • Wind turbine rotor blade would otherwise lose performance due to the stall effect. Stall effect means that when a certain power is reached, the wind turbine rotor blade is twisted by its own elasticity. If this were not prevented, the efficiency of the wind turbine rotor blade would deteriorate.
  • a large smoothing of the power setpoint is also necessary, because otherwise the wind turbine blade angle would be continuously regulated.
  • a signal obtained from a first-order smoothing stage (13) is fed to a curve generator (14). It is thus possible to specify the wind turbine blade angle assigned to the power and thus to achieve the optimum efficiency.
  • the rotor blade angle regulator (15) is designed in analog technology and acts on a hydraulic cylinder which carries out the angle adjustment of the wind turbine blade.
  • the wind turbine blade When the wind power plant starts up, the wind turbine blade is slowly attracted by a rotor speed increase limiter (16). This ensures a lower load on the entire sash adjustment mechanism. When there is little wind, the wind turbine is brought up to speed more quickly. With strong wind, however Wind turbine rotor accelerated constantly in order to keep the system load small. The PID speed controller (12) then takes over continuously, depending on the speed, and bridges the rotor speed increase limiter (16). When the wind turbine is shut down, the wind turbine blade is also slowly brought to a feathered position. As a result, the flow on the wind turbine blade is not suddenly jerked off because the change in the load is carried out slowly. An exception, of course, occurs when the rotor speed increase limiter (16) is inactive during an emergency shutdown.
  • the voltage output of the synchronous generator is regulated with a voltage regulating circuit and its exciter is monitored.
  • the complete excitation unit consists of a PID voltage regulator (22) and a monitoring unit (31), which detects errors in the PID voltage regulator (22) as well as in the synchronous generator and initiates a protective shutdown if necessary.
  • the PID voltage regulator (22) is connected to an underlying field current regulator (23) which acts on the field current of the excitation machine.
  • a field current maximum limiting controller (24) also acts on the underlying field current controller (23) in the event of a fault.
  • the PID voltage regulator (22) can be used to regulate the frequency of the synchronous generator in the range of the synchronous generator frequency from 20 to 60 Hertz. At even higher frequencies, the voltage is kept at a constant value.
  • the PID voltage regulator (22) ensures both high static accuracy and optimal control behavior.
  • the output voltage of the PID voltage regulator (22) is fed to the underlying field current regulator (23), which is designed as a P regulator with constant gain, as the setpoint of the field current.
  • the output voltage of the underlying field current regulator (23) in turn acts on a lattice tax rate (26).
  • the actual turbine speed value is fed to the PID voltage regulator (22) via a curve generator (21).
  • the PID voltage regulator (22) is supplied with voltage via a rectifier (27) with an active filter (25) connected downstream.
  • the voltage supply of a monitoring unit (31) also takes place via the rectifier (27) with an active filter (25) connected downstream.
  • the partial voltages of the PID voltage regulator (22) are monitored by the monitoring unit (31) for " failure. If a partial voltage fails, this leads to the wind turbine being switched off.
  • Another switch-off criterion is derived from the comparison of the setpoint and actual values the synchronous generator voltage is obtained in a comparison circuit.
  • the deviation of the synchronous generator voltage from its setpoint is measured. If the generator voltage deviates by more than an adjustable differential voltage for a longer time than an adjustable delay time, then there is a controller or generator error and a shutdown is initiated.
  • the triggering mechanism for the generator shutdown is controlled by a comparator (32) and a timer (33).
  • the field current of the synchronous generator is also monitored by the field current maximum limiting controller (24).
  • a generator fault usually leads to an increased excitation requirement, the field current of the excitation machine then exceeds the set field current maximum value, then the field current maximum limiting controller (24) intervenes in the PID voltage controller (22) after a delay and leads to a shutdown of the wind power plant by reducing the generator voltage.
  • the regulation and control system Under a wind speed. The rotor spins freewheeling at 4.5 meters per second, the regulation and control system is inactive. The wind turbine rotor blades are in feathering. At a wind speed of about. The regulation and control system is released 4.5 meters per second.
  • the wind turbine rotor blades are brought from the sail position into a starting position via the PID speed controller (12).
  • a limiter circuit between the rotor blade angle controller (15) and the PID speed controller (12) now slowly winds up the wind turbine rotor blades.
  • the turbine speed now begins to increase slowly, and the excitation for the synchronous generator is switched on at approximately 18 revolutions per minute.
  • the wind turbine rotor blades are brought to the optimal position and held in this position by the PID speed controller (12).
  • the turbine speed reaches the nominal setpoint of the PID speed controller (12) with increasing wind speed, this increases the angle of attack of the turbine blades via the rotor blade angle controller (15) and thus prevents a further increase in the turbine speed.
  • the PID speed controller (12) thereby stops a fluctuating wind oversupply, the turbine speed at the nominal value.
  • the specified setpoint characteristic curve is used to reset the optimal rotor blade angle.
  • the PID speed controller sets the turbine blade to its basic blade pitch angle.

Abstract

In a regulation and control system for a wind power plant, the actual value of the turbine speed is fed via a target power value generator (2) and a power limiting stage (3) and a PID power regulator (5) to the input of a current regulator (7). The output of the current regulator (7) is connected to a current supply network. The actual value of the turbine speed is fed via a PID speed regulator (12) to the input of a rotor blade angle regulator (15). The output of the rotor blade angle regulator (15) is connected to a rotor blade adjusting mechanism. A device (16) which limits the increase in rotor speed is connected to the rotor blade angle regulator (15). The output of the power limiting stage (3) is connected via a chart recorder (14) to the rotor blade angle regulator (15). The actual value of the turbine speed is fed via a chart recorder (21) and a PID voltage regulator (22) to the input of a field current regulator (23). The output of the field current regulator (23) is connected via grid trigger equipment (26) to the field coil of an a.c. dynamo. The actual generator voltage is applied via a rectifier (27) to a second input of the PID voltage controller (22). A regulator (24) which limits the maximum field current is arranged between a second and a third input of the field current regulator (23).

Description

REGELUNGS-UND STEUERUNGSSYSTEM FÜR EINE ltTOKRAFTANLAGE CONTROL AND CONTROL SYSTEM FOR AN IOL POWER PLANT
Die Erfindung betrifft ein Regelungs- und Steuerungssy¬ stem für eine Windkraftanlage, bestehend aus einer Wind¬ turbine und einem von dieser angetriebenem Synchrongene¬ rator, wobei die Windturbine als ein um eine Achse drehbarer Rotor mit verstellbaren Rotorblättern ausge¬ führt ist und aus dem jeweiligen Turbinendrehzahlistwert verschiedene elektrische Vorgabewerte gebildet sind.The invention relates to a regulating and control system for a wind power plant, consisting of a wind turbine and a synchronous generator driven by the latter, the wind turbine being designed as a rotor that can be rotated about an axis and with adjustable rotor blades and from the respective one Turbine speed actual value different electrical default values are formed.
Die Bemühungen von Technikern in aller Welt, vorhandene Energiequellen auf wirtschaftliche Art zu nutzen, waren in den letzten Jahren von großen Fortschritten gekenn¬ zeichnet. Auch im Bereich der Windkraftanlagen sind beachtliche Weiterentwicklungen zu beobachten.The efforts of technicians all over the world to use existing energy sources in an economical manner have been marked by great progress in recent years. Considerable further developments can also be observed in the field of wind turbines.
Windkraftanlagen dienen zur Umformung der im Wind ent¬ haltenen Energie in elektrische Energie. Dabei wird im Prinzip ein Windrad mit propellerartigen Flügeln auf einer horizontalen oder vertikalen Achse montiert. Diese Achse ist, üblicherweise über ein Getriebe, mit einem Generator verbunden.Wind turbines serve to convert the energy contained in the wind into electrical energy. In principle, a wind turbine with propeller-like blades is mounted on a horizontal or vertical axis. This axis is usually connected to a generator via a gearbox.
In der Praxis hat sich erwiesen, daß wegen der wesentlich geringeren Baukosten und der besseren Regel- und Steuer¬ barkeit, hauptsächlich aber wegen des wesentlich höheren Wirkungsgrades, ausschließlich Windkraftanlagen mit einem Windrad auf einer horizontalen Welle wirschaftlich sind, sich also innerhalb einer vertretbaren Zeitspanne amor¬ tisieren.In practice, it has been shown that because of the significantly lower construction costs and the better regulatability, but mainly because of the much higher efficiency, only wind turbines with a wind turbine on a horizontal shaft are economical, that is to say they pay off within a reasonable period of time ¬ tize.
Der Wind ist in Bodennähe ungleichmäßig und deshalb für die Lieferung von Energie ungeeignet. Mit zunehmender Höhe über dem Boden steigt jedoch nicht nur die Häufig¬ keit, sondern auch die Geschwindigkeit des Windes sehr stark an. Aus diesem Grund erfolgt die Montage von Windkraftwerken auf hohen Türmen. Für kleine und mittlere Anlagen werden dafür vorzugsweise, um dem Wind eine möglichst geringe Angriffsfläche bieten, Gittertürme aufgestellt. Aus Stabilitätsgründen sind jedoch für große Anlagen Rohrtürme zu verwenden.The wind is uneven near the ground and therefore unsuitable for the supply of energy. With increasing height above the ground, however, not only the frequency but also the speed of the wind increases very strongly. For this reason, Wind power plants on high towers. For small and medium-sized systems, lattice towers are preferably set up in order to offer the smallest possible surface for the wind. For reasons of stability, however, tubular towers should be used for large systems.
Ursprünglich wurde angenommen, Windkraftanlagen seien nur bei Aufstellung in flachen Gebieten, vor allem in wind¬ reichen Küstengebieten, in der Lage, elektrische Energie zu einem wirtschaftlich vertretbaren Preis zu liefern. Prinzipiell können jedoch die verschiedensten Gebiete, beispielsweise auch Alpengebiete, für die Aufstellung von Windkraftanlagen geeignet sein. Vor der Platzwahl für derartige Anlagen ist lediglich der langjährige durch- schnittliche Windanfall in der jeweiligen Gegend zu eruieren und in Rechnung zu stellen.Originally, it was assumed that wind turbines would only be able to supply electrical energy at an economically reasonable price if they were installed in flat areas, especially in windy coastal areas. In principle, however, the most diverse areas, for example also Alpine areas, can be suitable for the installation of wind power plants. Before choosing the location for such systems, only the long-term average wind incidence in the respective area needs to be determined and taken into account.
Die tatsächliche Ursache für die immer noch nicht prak¬ tikable Nutzung der Windenergie ist nicht der Mangel an geeigneten Aufstellungsorten, sondern die bislang unge¬ nügende Regel- und Steuerbarkeit der Windkraftanlagen.The actual cause for the still impractical use of wind energy is not the lack of suitable installation sites, but rather the previously inadequate controllability of the wind power plants.
Eine der bisher üblichen Regelungen von Windkraftanlagen ist mechanischer Art. Dabei wird die Drehzahl der Wind- turbine durch Veränderung des Anstellwinkels der Rotor¬ blätter durchgeführt. Nachteilig sind bei diesem System sowohl die langsame Ansprechzeit als auch die ungenügende Ansprechgenauigkeit.One of the previously common regulations for wind power plants is mechanical. The speed of the wind turbine is carried out by changing the angle of attack of the rotor blades. A disadvantage of this system is both the slow response time and the insufficient response accuracy.
Es sind auch elektronische Regelungen bekannt, die jedoch zum einen nicht sämtliche zu einer exakten Regelung nötigen Parameter verarbeiten, zum anderen eine große Störanfälligkeit aufweisen.Electronic controls are also known which, on the one hand, do not process all the parameters required for precise control, on the other hand, they are very susceptible to faults.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Regelungs- und Steuerungssystem zu schaffen, welches sämtliche auf eine Windkraftanlage einwirkenden Parameter während des gesamten Betriebsablaufes sofort aufnimmt und berück¬ sichtigt, sowie vollautomatisch arbeitet und eine sichere Abgabe elektrischer Energie mit konstanter Spannung und stabiler Phasenlage gewährleistet.The object of the invention is therefore to provide a regulation and control system which all parameters acting on a wind turbine during takes up and takes into account the entire operating sequence immediately, and operates fully automatically and ensures reliable delivery of electrical energy with constant voltage and stable phase position.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinendrehzahlistwert jeweils dem Eingang einer ersten Glattungsstufe erster Ordnung und eines ersten aktiven Filters und eines zweiten aktiven Filters und einer zweiten Glattungsstufe erster Ordnung sowie eines ersten Kurvenbildners zuge¬ führt ist, und daß der Ausgang der ersten Glattungsstufe erster Ordnung mit dem Eingang eines LeistungsSollwert¬ gebers verbunden ist, und daß der Ausgang des Leistungs¬ sollwertgebers mit dem Eingang einer Leistungsbegren- zungsstufe verbunden ist, und daß der Ausgang der Lei- stungsbegrenzungsstufe mit einem ersten Eingang eines PID-Leistungsreglers und dem Eingang einer dritten Glattungsstufe erster Ordnung sowie dem Ausgang des ersten aktiven Filters verbunden ist, und daß der Eingang eines zweiten Kurvenbildners mit dem Ausgang der dritten Glattungsstufe erster Ordnung verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Leistungsreglers mit einem ersten Eingang eines Stromreglers und dem Ausgang des aktiven Filters verbunden ist, und daß der Ausgang des Stromreglers, indirekt über GitterSteuersatz und Thyristoren, mit einem Stromversorgungsnetz verbunden ist, und daß der Stromistwert einem zweiten Eingang des Stromreglers zugeführt ist, und daß der Leistungsistwert einem zweiten Eingang des PID-Leistungsreglers zugeführt ist, und daß der Ausgang der zweiten Glattungsstufe erster Ordnung mit einem ersten Eingang eines PID-Drehzahlreglers verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Drehzahlreglers mit einem ersten Eingang eines Rotorblattwinkelreglers und mit dem Ausgang des zweiten Kurvenbildners sowie mit einem Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer verbunden ist, und daß der Drehzahlsollwert einem zweiten Eingang des PID- Drehzahlreglers zugeführt ist, und daß der Rotorblattwinkelistwert einem zweiten Eingang des Rotorblattwinkelreglers zugeführt ist, und daß der Ausgang des Rotorblattwinkelreglers mit einem Rotor- blattverstellungsmechanismus verbunden ist, und daß der Ausgang des ersten Kurvenbildners mit einem ersten Eingang eines PID-Spannungsreglers verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Spannungsreglers mit einem ersten Eingang eines unterlegten Feldstromreglers verbunden ist, und daß der Ausgang des unterlegten Feldstromreg¬ lers über einen Gittersteuersatz mit der Feldwicklung einer Wechselstromerregermaschine verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang des unterlegten Feldstromreglers über einen Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler mit einem dritten Eingang des unterlegten Feldstromreglers verbun¬ den ist, und daß die Generatoristspannung der Wechsel¬ spannungsseite eines Gleichrichters zugeführt ist, und daß die Gleichspannungsseite des Gleichrichters über ein drittes aktives Filter mit einem zweiten Eingang des PID-Spannungsreglers verbunden ist.The object is achieved by the invention. This is characterized in that the turbine speed actual value is fed to the input of a first smoothing stage of first order and a first active filter and a second active filter and a second smoothing stage of first order as well as a first curve generator, and that the output of the first smoothing stage of first order is connected to the input of a power setpoint generator and that the output of the power setpoint generator is connected to the input of a power limitation stage and that the output of the power limitation stage is connected to a first input of a PID power regulator and the input of a third smoothing stage first order and the output of the first active filter, and that the input of a second curve generator is connected to the output of the third smoothing stage of the first order, and that the output of the PID power controller is connected to a first input of a current controller and the output of the a active filter, and that the output of the current regulator is connected indirectly to a power supply network via a grating control unit and thyristors, and that the actual current value is fed to a second input of the current regulator, and that the actual power value is fed to a second input of the PID power regulator, and that the output of the second smoothing stage of the first order is connected to a first input of a PID speed controller, and that the output of the PID speed controller is connected to a first input of a rotor blade angle controller and to the output of the second curve generator as well as is connected to a rotor speed limiter, and that the speed setpoint is fed to a second input of the PID speed controller, and that the actual rotor angle value is fed to a second input of the rotor angle controller, and that the output of the rotor angle controller is connected to a rotor blade adjustment mechanism, and that the output of the the first curve generator is connected to a first input of a PID voltage regulator, and that the output of the PID voltage regulator is connected to a first input of an underlying field current regulator, and that the output of the underlying field current regulator is connected to the field winding of an AC excitation machine via a grid control unit , and that a second input of the underlying field current controller is connected via a field current maximum limiting controller to a third input of the underlying field current controller, and that the generator voltage on the AC voltage side e a rectifier is supplied, and that the DC voltage side of the rectifier is connected via a third active filter to a second input of the PID voltage regulator.
Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die Windkraftanlage bei genügend Windanfall vollautomatisch an- und hochfährt und sowohl der Betrieb als auch die Stillsetzung bei ungenügendem Windanfall ebenf lls vollautomatisch ver¬ laufen. Durch den hohen Automatisierungsgrad ist es möglich, die gesamte Anlage völlig unbemannt zu betrei- ben. Dadurch werden, vor allem bei einem Gesamtverband von mehreren Windkraftanlagen, beträchtliche Personal¬ kosteneinsparungen erzielt. Es sind selbstverständlich die entsprechenden Wartungsintervalle zu beachten und einzuhalten.This results in the advantage that the wind power plant starts and starts up fully automatically when there is enough wind and both the operation and the shutdown in the event of insufficient wind run also run fully automatically. The high degree of automation means that the entire system can be operated completely unmanned. As a result, considerable savings in personnel costs are achieved, especially in the case of an overall association of several wind power plants. It goes without saying that the corresponding maintenance intervals must be observed and observed.
Im vollautomatischen Betrieb wird die Anlage immer der jeweiligen Windrichtung nachgeführt. Bei entsprechender Windgeschwindigkeit wird die Turbine hochgefahren; dabei werden Drehzahl und Leistung, gemäß den eingestellten Vorgabewerten, in Abhängigkeit von der Windgeschwindig¬ keit geregelt. Alle Parameter, wie beispielsweise Turbinendrehzahl, Windrichtung, Generatorleistung sowie an diversen Anlageteilen auftretende Temperaturen werden laufend überwacht. Ändert sich einer dieser Parameter, werden automatisch die entsprechenden Vorkehrungen getroffen, um die Anlage entweder im optimalen Betriebs- punkt weiterzufahren oder, bei Erreichen von Grenzwerten, ein sicheres Abstellen zu gewährlsieten.In fully automatic operation, the system always tracks the respective wind direction. With appropriate Wind speed the turbine is started up; speed and power are regulated in accordance with the set values depending on the wind speed. All parameters, such as turbine speed, wind direction, generator power and temperatures occurring in various parts of the system are continuously monitored. If one of these parameters changes, the appropriate precautions are automatically taken to either continue to operate the system at the optimum operating point or to ensure that it is safely shut down when limit values are reached.
Zudem werden durch Windböen hervorgerufene Turbinendreh- zahländerungen ohne Verzögerung erfasst und und die Generatorrotordrehzahl stabilisiert; bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten erfolgt eine Begrenzung von Gene¬ ratorrotordrehzahl und Generatorleistung. Die windabhän¬ gige Turbinendrehzahlführung ist bei diesem System auf einem Verfahren aufgebaut, das die Turbine selbst als indirektes Windmeßsystem benutzt. Ein stark schwankendes Windangebot wirkt sich durch eine ebenso stark schwan¬ kende Drehzahländerung der Turbine aus. Durch diese direkte Drehzahlerfassung an der Turbinenwelle ist es möglich, mit dem Leistungsdrehzahlregler unmittelbar nach erfolgter Drehzahländerung den Sollwert für die Lei¬ stungsabgabe zu bilden.In addition, turbine speed changes caused by wind gusts are recorded without delay and the generator rotor speed is stabilized; at very high wind speeds, the generator rotor speed and generator power are limited. In this system, the wind-dependent turbine speed control is based on a method that the turbine itself uses as an indirect wind measurement system. A strongly fluctuating wind supply has an effect due to an equally strongly fluctuating speed change in the turbine. This direct speed detection on the turbine shaft makes it possible to use the power speed controller to set the desired value for the power output immediately after the speed has changed.
Damit ist es möglich, die Turbine immer im optimalen Wirkungsgrad zu fahren. Aus dem erfassten Drehzahlwert wird aber auch gleichzeitig, bei hohen Windgeschwindig- keiten, eine Begrenzung der Drehzahl und der Leistung auf die eingestellten Grenzwerte erreicht.This makes it possible to always run the turbine with optimal efficiency. At the same time, at high wind speeds, the speed value and the power are limited to the set limit values from the recorded speed value.
Weiters ist vorteilhaft, daß das erfindungsgemäße Rege- lungs- und Steuerungssystem eine konstante Spannungshal- tung der Netzspannung erlaubt und eine stabile Phasenlage der Netzabgabeleistung ermöglicht, d. h. , die Abgabe von Wirkleistung in das Netz ist bei gleichbleibender Windgeschwindigkeit konstant und optimal an die Erzeugung durch das Windrad angepaßt. Dies erfordert, trotz kon¬ stanter Netzfreguenz, eine variable Drehzahl des mit dem Windrad gekoppelten Generators.Furthermore, it is advantageous that the regulation and control system according to the invention permits constant voltage maintenance of the network voltage and enables a stable phase position of the network output power, that is to say the delivery of active power into the network remains the same Wind speed constant and optimally adapted to the generation by the wind turbine. Despite constant network frequency, this requires a variable speed of the generator coupled to the wind turbine.
Die Spannungsregelung des Generators erfolgt über eine bürstenlose Wechselstromerregermaschine auf eine der Drehzahl des Generators proportionale Ausgangsspannung. Damit ist der Synchrongenerator optimal ausnützbar und zur Abgabe von Wirkleistung an einen Gleichstromzwi¬ schenkreis fähig.The voltage regulation of the generator takes place via a brushless AC exciter to an output voltage proportional to the speed of the generator. The synchronous generator can thus be optimally used and capable of delivering active power to a DC intermediate circuit.
Dieser Gleichstromzwischenkreis speist einen netzgeführten Umrichter, welcher die Wirkleistungsabgabe an das Netz ermöglicht. Die Regeleinrichtung des Syn¬ chrongenerators hat nicht nur die Regelung der Synchron¬ generatorspannung proportional der Drehzahl zu bewirken, sondern auch bei konstanter Nenndrehzahl bzw. kurzzei¬ tiger Überdrehzahl die Generatorspannung proportional der Netzspannung zu regeln. Dies ist für die sichere Funktion des netzgeführten Umrichters erforderlich.This DC link feeds a line-commutated converter, which enables the active power to be delivered to the network. The control device of the synchronous generator not only has to effect the regulation of the synchronous generator voltage proportional to the speed, but also to regulate the generator voltage proportionally to the mains voltage at constant nominal speed or brief overspeed. This is necessary for the safe function of the line-guided converter.
Eine besondere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß ein erster Eingang einer Überwachungseinheit, welche Fehler im PID-Spannungsregler und im Synchrongenerator erkennt, mit dem zweiten Eingang des PID-Spannungsreg¬ lers verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang der Überwachungseinheit mit dem ersten Eingang des PID- Spannungsreglers verbunden ist, und daß der Ausgang der Überwachungseinheit über einen Komparator und über ein Zeitglied mit einem Auslösemechanismus zur Gener torab- schaltung verbunden ist.A special development of the invention is that a first input of a monitoring unit, which detects errors in the PID voltage regulator and in the synchronous generator, is connected to the second input of the PID voltage regulator, and that a second input of the monitoring unit is connected to the first input of the PID voltage regulator is connected, and that the output of the monitoring unit is connected via a comparator and via a timing element to a trigger mechanism for generator shutdown.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung werden sowohl Fehler in der Regelelektronik des Generatorspannungsreg¬ lers erkannt, als auch Fehler im Generator selbst, wie Windungsschlüsse, Wicklungsunterbrechungen und Erdschlüsse. Die Überwachungseinrichtungen ermöglichen es, den Generator und damit die Gesamtanlage im Fehler¬ fall zu schützen.With this arrangement according to the invention, errors in the control electronics of the generator voltage regulator are recognized, as well as errors in the generator itself, such as interturn faults, interruptions in the winding and Earth faults. The monitoring devices make it possible to protect the generator and thus the entire system in the event of a fault.
Daraus ergibt sich auch der Vorteil, daß beim Auftreten von Fehlerfällen diese rasch erkannt und damit die Standzeiten der Anlage reduziert werden. Weiters ist vorteilhaft, daß somit ein komplizierter und sehr teurer Generatorschutz entfällt.This also has the advantage that when errors occur, these are quickly recognized and the system downtimes are reduced. It is also advantageous that complex and very expensive generator protection is thus eliminated.
An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1, in Form einer Prinzipzeichnung, alle mechanischen, regelungs- und steuerungstechnischen sowie EDV-Hauptkomponenten einer kompletten Windkraftanlage. In Fig. 2 ist, als Block¬ schaltbild, das erfindungsgemäße Regelungs- und Steue¬ rungssystem mit Spannungs-, Leistungs- und Drehzahlrege¬ lung, sowie die Generatorüberwachung dargestellt.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. 1 shows, in the form of a basic drawing, all the mechanical, regulation and control technology and EDP main components of a complete wind turbine. 2 shows, as a block diagram, the regulation and control system according to the invention with voltage, power and speed regulation, as well as the generator monitoring.
Die für eine Windkraftanlage wichtigste Kenngröße ist die Drehzahl. Bei der vorliegenden Windkraftanlage wird die Windturbine selbst als indirektes Windmeßsystem benutzt, da ein direkter Zusammenhang zwischen Windgeschwindig¬ keit, Turbinen- und Generator- Rotordrehzahl sowie Generatorleistung besteht. Aus dem jeweiligenThe most important parameter for a wind turbine is the speed. In the present wind power plant, the wind turbine itself is used as an indirect wind measurement system, since there is a direct connection between wind speed, turbine and generator rotor speed and generator power. From the respective
Turbinendrehzahlistwert werden die Vorgabewerte für die verschiedenen elektrischen Kenngrößen gebildet. Die Drehzahlmessung muß exakt erfolgen, da durch ungenaue Vorgabewerte der Wirkungsgrad des Windturbinenflügels abnimmt. Diese Zusammenhänge sind aus den Kennlinien des jeweiligen Windturbinenflügels, der im vorliegenden Fall ein Schnelläufer - und zwar ein Dreiblatt-Rotor - ist, entnommen werden.The actual values for the various electrical parameters are formed for the actual turbine speed. The speed measurement must be carried out exactly because the efficiency of the wind turbine blade decreases due to inaccurate default values. These relationships can be found in the characteristics of the respective wind turbine blade, which in the present case is a high-speed rotor - namely a three-bladed rotor.
Die Erfindung ermöglicht es, große Drehzahländerungen, hervorgerufen durch Windböen, rasch und ohne Verzögerung zu erfaßen und mit der Regelung sofort einzugreifen. Zu langsame Regelstrecken würden bei Böen zu einem großen Anstieg der Drehzahl führen. Im vorliegenden Fall ist der Drehzahlanstieg auf maximal 5 % über dem Nenndrehzahlwert begrenzt. .The invention makes it possible to detect large changes in speed, caused by wind gusts, quickly and without delay and to intervene immediately with the control. To slow control systems would lead to a large increase in speed in the event of gusts. In the present case, the speed increase is limited to a maximum of 5% above the nominal speed value. ,
Im Automatikbetrieb fährt die Windkraftanlage selbständig hoch, wenn genug Wind vorhanden ist und keine Gefahrmel¬ dung ansteht. Es ist auch eine Umschaltung von Automatik¬ auf Handbetrieb möglich; selbstverständlich bleiben dabei die Not-Aus-Gefahrmeldungen berücksichtigt.In automatic mode, the wind power plant starts up automatically when there is enough wind and there is no danger message. Switching from automatic to manual mode is also possible; Of course, the emergency stop hazard messages remain taken into account.
Die für die elektrische Energieerzeugung nötigen mecha¬ nischen und elektrischen Komponenten befinden sich auf einer drehbaren Gondel, die am Turmkopf angebracht ist. Entsprechend dem wechselnden Windwegverlauf wird dieThe mechanical and electrical components required for the electrical energy generation are located on a rotatable nacelle which is attached to the tower head. According to the changing wind path, the
Gondel jeweils dem Wind nachgeführt. Im vorliegenden Fall ist die dazu notwendige Steuerung elektrisch, während die Bremsung der Gondel hydraulisch durchgeführt wird. Diese gesamte Dreheinrichtung wird auch als Azimut bezeichnet.The gondola always follows the wind. In the present case, the control required for this is electrical, while the braking of the nacelle is carried out hydraulically. This entire rotating device is also referred to as azimuth.
Wie in Fig. 1 ersichtlich, treibt eine Windturbine (50) über ein Umsetzgetriebe (51) einen Synchrongenerator (52) an. Einer Eingabeeinheit (53) einer freiprogrammierbaren Steuerung (56) sind alle digitalen und analogen Ein- gangssignale einer kompletten Windkraftanlage zugeführt.As can be seen in FIG. 1, a wind turbine (50) drives a synchronous generator (52) via a conversion gear (51). An input unit (53) of a freely programmable control (56) is supplied with all digital and analog input signals of a complete wind turbine.
Hierbei handelt es sich um folgende Informationen: Umsetzgetriebe-Temperatur (71), Umsetzgetriebe-Öistand (72), Azimutbremsen-Verschleiß (74, 75), Rotorbremsen- Verschleiß (73, 78), Synchrongeneratortemperatur (76), Synchrongeneratordrehzahl (77), Synchrongeneratorerregung (79), Blattposition (80), GondelStellung (81) ,Azimut-Vi¬ bration (82), Windgeschwindigkeit (83), Windrichtung (84), Azimutstellung (85), Hydrauliköltemperatur (86), Hydraulikölddruck (87), Hydraulikölstand (88), Windtur¬ binenblatt-Stellung (89), Windturbinenblatt-Segelstellung (90), Hydraulikaggregat-Zustand (91), Ansteuerung der hydraulischen Rotorbremsen (92), Ansteuerung der hydrau¬ lischen Azimutbremsen (93), Ansteuerung der hydraulischen Windturbinenblatt-Verstellung (94), Ansteuerung des Hydraulikdrosselventils (95). Die Windturbinendrehzahl (70) wird über Zahnflanken (96) mittels eines Aufnehmers (97) erfasst.This includes the following information: transfer gear temperature (71), transfer gear oil level (72), azimuth brake wear (74, 75), rotor brake wear (73, 78), synchronous generator temperature (76), synchronous generator speed (77), Synchronous generator excitation (79), blade position (80), nacelle position (81), azimuth vibration (82), wind speed (83), wind direction (84), azimuth position (85), hydraulic oil temperature (86), hydraulic oil pressure (87), hydraulic oil level (88), wind turbine blade position (89), wind turbine blade sail position (90), hydraulic unit state (91), control of the hydraulic rotor brakes (92), control of the hydraulic azimuth brakes (93), control of the hydraulic wind turbine blade adjustment (94), control of the hydraulic throttle valve (95). The wind turbine speed (70) is recorded via tooth flanks (96) by means of a sensor (97).
Die freiprogrammierbare Steuerung (56) ist ein modular aufgebautes Mikroprozessorsystem und besteht aus den folgenden Einheiten: Modul für digitale Eingänge (58), Modul für analoge Eingänge (59), Anzeigefeld (60), Bedienfeld (61), Modul für digitale Ausgänge (63), Modul für analoge Ausgänge (64), Bus-System (65), Rechner (62) und Hilfs-Relais (57). Diese Einheiten sind miteinander durch einen Verdrahtungsprint verbunden.The freely programmable controller (56) is a modular microprocessor system and consists of the following units: module for digital inputs (58), module for analog inputs (59), display panel (60), control panel (61), module for digital outputs (63 ), Module for analog outputs (64), bus system (65), computer (62) and auxiliary relay (57). These units are connected to each other by a wiring board.
Von der Eingabeeinheit (53) werden die digitalen und die analogen Eingänge den jeweils zugeordneten Einheiten (58, 59) der freiprogrammierbaren Steuerung (56) zuge- führt. Das Setzen der digitalen und der analogen Ausgänge erfolgt über das integrierte Rechnersystem. Die gesetzten digitalen und analogen Ausgänge werden den entsprechenden Anlagenkomponenten zugeleitet. Dabei werden die digitalen Ausgänge (63) über Hilfsrelais (57) geführt, deren Aufgabe es ist, die digitalen Ausgangssignale der frei¬ programmierbaren Steuerung (56) auf das Niveau der Steu¬ erspannung umzusetzen. Durch das jeweilige Anwenderpro¬ gramm sind die digitalen und analogen Ein- und Ausgänge softwaremäßig verknüpft.The digital and the analog inputs are fed from the input unit (53) to the respectively assigned units (58, 59) of the freely programmable control (56). The digital and analog outputs are set via the integrated computer system. The set digital and analog outputs are fed to the corresponding system components. The digital outputs (63) are guided via auxiliary relays (57), whose task is to convert the digital output signals of the freely programmable control (56) to the level of the control voltage. The respective user program links the digital and analog inputs and outputs in software.
Mit einem Personalcomputer (56) und einem Drucker (67) ist es möglich, die gesamten Informationen abzuspeichern und weiterzuverarbeiten. Zu diesem Zweck ist die frei- programmierbare Steuerung (56) über eine serielle Schnittstelle mit dem Personalcomputer (66) verbunden. Eine Umrichterkaskade (55) und eine Erregereinheit (54) werden von der freiprogrammierbaren Steuerung (56) entsprechend der vorgegebenen Leistungs-Drehzahl- Kennlinie geführt. Eine Leitung (98) führt von der Umrichterkaskade (55) zum Stromversorgungsnetz.With a personal computer (56) and a printer (67), it is possible to store and process all of the information. For this purpose, the freely programmable controller (56) is connected to the personal computer (66) via a serial interface. A converter cascade (55) and an excitation unit (54) are guided by the freely programmable controller (56) in accordance with the specified power-speed characteristic. A line (98) leads from the converter cascade (55) to the power supply network.
Wie Fig. 2 zeigt, wird der über eine Leitung (40) zuge¬ führte Turbinendrehzahlistwert in einer Glattungsstufe erster Ordnung (1) vorerst geglättet und einem Lei- stungssollwertgeber (= Kurvenbildner) (2) zugeführt. Eine Glättung ist unbedingt notwendig, da dem Turbinendrehzahlistwert üblicherweise einige Frequenzen überlagert sind. Ohne vorherige Glättung würde durch die hohe Verstärkung im nachfolgenden, digital aufgebauten PID-Leistungsregler (5) eine Schwingung des Leistungs¬ sollwertes entstehen.As shown in FIG. 2, the actual turbine speed value supplied via a line (40) is first smoothed in a first-order smoothing stage (1) and fed to a power setpoint generator (= curve generator) (2). Smoothing is absolutely necessary because the turbine speed actual value is usually superimposed on some frequencies. Without prior smoothing, the high gain in the subsequent, digitally constructed PID power controller (5) would cause the power setpoint to oscillate.
Man unterscheidet zwei Arten von Frequenzüberlagerungen. Der vor dem Turm, in Windrichtung gesehen, auftretende Windstau entlastet den Windturbinenflügel beim Durchgang durch die vertikale Turmachse. Diese Entlastung ruft eine Leistungsschwankung und dadurch eine Drehzahländerung hervor. Die dem Turbinendrehzahlistwert überlagerte Frequenz, hervorgerufen durch die Flügelentlastung, ist drei Mal so groß als die Rotorfrequenz. Zusätzlich ändert sich diese Frequenz noch mit variabler Turbinenrotor- drehzahl.There are two types of frequency overlap. The wind congestion in front of the tower, seen in the direction of the wind, relieves the load on the wind turbine wing as it passes through the vertical tower axis. This relief causes a fluctuation in performance and thus a change in speed. The frequency superimposed on the actual turbine speed, caused by the blade relief, is three times as large as the rotor frequency. In addition, this frequency changes with variable turbine rotor speed.
Weiters überlagert eine in Phasen mit den Turmschwin- gungen liegende Frequenz den Turbinendrehzahlistwert. Diese Frequenz entsteht durch die Änderung der relativen Windgeschwindigkeit zu den Windturbinenflügeln. Schwingt der Turm entgegen der Windrichtung, so entsteht ein Leistungsüberschuß, der zu einer Turbinendrehzahlerhöhung führt (= Vergrößerung der relativen Windgeschwindigkeit) . Schwingt der Turm mit der Windrichtung, ist genau die umgekehrte Erscheinung zu beobachten. Im Gegensatz zum ersten Fall bleibt diese Frequenz aber konstant.Furthermore, a frequency lying in phases with the tower vibrations overlaps the actual turbine speed. This frequency arises from the change in the relative wind speed to the wind turbine blades. If the tower swings against the wind direction, there is an excess of power, which leads to an increase in the turbine speed (= increase in the relative wind speed). If the tower swings with the direction of the wind, it is exactly that to observe reverse appearance. In contrast to the first case, this frequency remains constant.
Die Glattungsstufe erster Ordnung (1) ist so ausgelegt, daß die Gesamtregelzeit nicht zu langsam wird und daß Leistungssollwertänderungen, hervorgerufen durch Dreh¬ zahländerungen (= überlagerte Frequenzen), limitiert werden.The first-order smoothing stage (1) is designed in such a way that the overall control time does not become too slow and that changes in the power setpoint caused by changes in speed (= superimposed frequencies) are limited.
Mittels des Leistungssollwertgebers (2) ist es möglich, die der Windturbinenflügelkennlinie zugeordnete Größe von maximaler Leistung und Drehzahl (= optimaler Wirkungs¬ grad) vorzugeben. Mit der dem Leistungssollwertgeber (2) nachgeschalteten Leistungsbegrenzungsstufe (3) wird die an ein Stromversorgungsnetz abgegebene Leistung limitiert bzw. stufenlos, je nach externen Vorgaben, im Bereich von Null bis Nennleistung verstellt. Das gesamte übrige Regelsystem bleibt dabei voll aktiv.Using the power setpoint generator (2), it is possible to specify the size of the maximum power and speed (= optimum efficiency) assigned to the wind turbine blade characteristic. With the power limiting stage (3) connected downstream of the power setpoint generator (2), the power delivered to a power supply network is limited or continuously adjusted, depending on external specifications, in the range from zero to nominal power. The entire remaining control system remains fully active.
Ein aktives Filter (4) wirkt direkt auf den PID-Lei- stungsregler (5) . Wie bereits erwähnt, treten im Turbinendrehzahlistwert überlagerte Frequenzen auf. Durch das speziell ausgelegtes aktive Filter (4) wird nur eine überlagerte Frequenz ausgesiebt und dem gewonnenen Leistungssollwertsignal zugeführt. Das dadurch neu entstandene Leistungssollwertsignal wirkt auf die Turm¬ schwingung positiv dämpfend. Somit werden die durch plötzlich auftretende Windböen hervorgerufenen Turm¬ schwingungen schon im Anfangsstadium der Entstehung bekämpft. Dadurch wird eine geringere Belastung und eine längere Lebensdauer der Windkraftanlage erreicht.An active filter (4) acts directly on the PID power controller (5). As already mentioned, superimposed frequencies occur in the turbine speed actual value. Due to the specially designed active filter (4), only a superimposed frequency is screened out and supplied to the power setpoint signal obtained. The newly generated power setpoint signal has a positive damping effect on the tower vibration. Thus, the tower vibrations caused by sudden gusts of wind are combated from the very beginning of their formation. This results in a lower load and a longer service life for the wind turbine.
Die durch die Turmschwingungen auftretenden Leistungs¬ schwankungen sind, auf die Synchrongeneratornennleistung bezogen, sehr gering und haben keinen Einfluß auf das Stromversorgungsnetz. Der PID-Leistungsregler (5) hat folgende Aufgaben zu erfüllen: In Verbindung mit dem Synchrongenerator und der Umrichterkaskade (55) erfolgt eine gleitende Drehzahl¬ führung. Das windabhängige schwankende Drehmoment führt zu Turbinendrehzahlanderungen, was wiederum zu stark schwankenden Leistungssollwertvorgaben führt. Durch eine entsprechende Dämpfung des PID-Leistungsreglers (5) werden Leistungsschwankungen geglättet, indem die großen Massen des Windturbinenflügels und des -rotors als KurzZeitpufferspeicher benutzt werden.The power fluctuations occurring due to the tower vibrations are very small, based on the synchronous generator nominal power, and have no influence on the power supply network. The PID power controller (5) has the following tasks: In conjunction with the synchronous generator and the converter cascade (55), the speed is controlled in a sliding manner. The wind-dependent fluctuating torque leads to turbine speed changes, which in turn leads to strongly fluctuating power setpoint specifications. Adequate damping of the PID power controller (5) smoothes out power fluctuations by using the large masses of the wind turbine blade and rotor as a short time buffer.
Ein aktives Filter (6) wirkt direkt auf einen in Analog¬ technik ausgeführten, unterlegten Stromregler (7). Das aktive Filter (6) siebt überlagerte Frequenzen aus und führt sie dem Stromregler (7) zu. Auftretende Schwin¬ gungen der Windturbinenrotorblätter werden dadurch reduziert, woraus sich wiederum eine geringere Belastung und eine längere Lebensdauer der Windkraftanlage ergibt. Dieses zweites aktive Filter (6) , das direkt auf den Stromregler (7) wirkt, wird deshalb gewählt, weil die relativ hohe Frequenz der auftretenden Schwingung vom bedämpften PID-Leistungsregler (5) nicht berücksichtigt wird.An active filter (6) acts directly on an underlying current regulator (7) which is embodied in analog technology. The active filter (6) screens out superimposed frequencies and feeds them to the current regulator (7). Vibrations occurring in the wind turbine rotor blades are thereby reduced, which in turn results in a lower load and a longer service life of the wind power plant. This second active filter (6), which acts directly on the current controller (7), is chosen because the damped PID power controller (5) does not take into account the relatively high frequency of the oscillation that occurs.
Der ebenfalls in Fig. 2 dargestellte PID-Drehzahlregler (12) ist digital aufgebaut. Der dem PID-Drehzahlregler (12) unterlegte Rotorblattwinkelregler (15) ist in Analogtechnik ausgeführt. In einer Glattungsstufe erster Ordnung (11) wird der Turbinendrehzahlistwert wiederum geglättet, bevor er dem PID-Drehzahlregler (12) zugeführt wird. Der PID-Drehzahlregler (12) wird erst aktiv, wenn der eingestellte Nenndrehzahlsollwert überschritten wird. Der Nenndrehzahlsollwert wird über den maximalen Dreh¬ zahlwert der Leistungsbegrenzungsstufe (3) gelegt. Dadurch reagiert der PID-Drehzahlregler (12) erst nach überschreiten des Drehzahlwertes der Leistungsbegren¬ zungsstufe (3). Damit wird bei stetigem Windüberangebot die Leistung konstant auf Nennleistung gehalten. Der PID-Drehzahlregler (12) wird so ausgelegt, daß auch bei starken Windböen die Nenndrehzahl um maximal 5 % über¬ schritten wird. Dies darf selbstverständlich nicht zu einem verstärkten Regeln des Windturbinenrotorblattes führen, weil eine Verkürzung der Lebensdauer der Hy¬ draulik die Folge davon wäre.The PID speed controller (12), also shown in FIG. 2, is constructed digitally. The rotor blade angle controller (15) underpinned by the PID speed controller (12) is designed using analog technology. In a first-order smoothing stage (11), the turbine speed actual value is smoothed again before it is fed to the PID speed controller (12). The PID speed controller (12) only becomes active when the set nominal speed setpoint is exceeded. The nominal speed setpoint is set above the maximum speed value of the power limitation stage (3). As a result, the PID speed controller (12) only reacts after the speed value of the power limitation stage (3) has been exceeded. This means that there is a steady supply of wind the power kept constant at nominal power. The PID speed controller (12) is designed in such a way that the nominal speed is exceeded by a maximum of 5% even with strong wind gusts. Of course, this must not lead to increased regulation of the wind turbine rotor blade, because a shortening of the service life of the hydraulic system would be the consequence.
Ab einer vorgegebenen Leistung wird das Windturbinenro- torblatt nachgeführt. Dies ist notwendig, weil dasThe wind turbine rotor blade is tracked from a predetermined output. This is necessary because of that
Windturbinenrotorblatt sonst durch den Stalleffekt an Leistung verlieren würde. Stalleffekt heißt, daß bei Erreichen einer bestimmten Leistung eine Verdrehung des Windturbinenrotorblattes durch die Eigenelastizität erfolgt. Würde man dies nicht verhindern, käme es zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Windturbi¬ nenrotorblattes.Wind turbine rotor blade would otherwise lose performance due to the stall effect. Stall effect means that when a certain power is reached, the wind turbine rotor blade is twisted by its own elasticity. If this were not prevented, the efficiency of the wind turbine rotor blade would deteriorate.
Weiters notwendig ist eine große Glättung des Leistungs- Sollwertes, weil ansonsten ein dauerndes Regeln des Windturbinenblattwinkels erfolgen würde. Ein aus einer Glattungsstufe erster Ordnung (13) gewonnenes Signal wird einem Kurvenbildner (14) zugeführt. Damit ist es möglich, den der Leistung zugeordneten Windturbinenblattwinkel vorzugeben und somit den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen Der Rotorblattwinkelregler (15) ist in Analog¬ technik ausgeführt und wirkt auf einen Hydraulikzylin¬ der, welcher die Winkelverstellung des Windturbinen¬ blattes ausführt.A large smoothing of the power setpoint is also necessary, because otherwise the wind turbine blade angle would be continuously regulated. A signal obtained from a first-order smoothing stage (13) is fed to a curve generator (14). It is thus possible to specify the wind turbine blade angle assigned to the power and thus to achieve the optimum efficiency. The rotor blade angle regulator (15) is designed in analog technology and acts on a hydraulic cylinder which carries out the angle adjustment of the wind turbine blade.
Beim Anfahren der Windkraftanlage wird das Windturbinen¬ blatt durch einen Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16) langsam angezogen. Dadurch wird eine geringere Belastung der gesamten Flügelverstellmechanik gewährleistet. Bei wenig Wind wird dadurch die Windkraftanlage rascher auf Drehzahl gebracht. Bei starkem Wind hingegen wird der Windturbinenrotor konstant beschleunigt, um die Anlagen¬ belastung klein zu halten. Der PID-Drehzahlregler (12) übernimmt dann, je nach Drehzahl, stufenlos und über¬ brückt den Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16). Beim Abfahren der Windkraftanlage wird das Windturbinenblatt ebenfalls langsam in Segelstellung gebracht. Dadurch kommt es zu keinem ruckartigen Abreissen der Strömung am Windturbinenblatt, weil eben die Veränderung der Bela¬ stung langsam durchgeführt wird. Ein Ausnahmefall tritt selbstverständlich dann auf, wenn bei einer Notabschal¬ tung der Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16) inaktiv ist.When the wind power plant starts up, the wind turbine blade is slowly attracted by a rotor speed increase limiter (16). This ensures a lower load on the entire sash adjustment mechanism. When there is little wind, the wind turbine is brought up to speed more quickly. With strong wind, however Wind turbine rotor accelerated constantly in order to keep the system load small. The PID speed controller (12) then takes over continuously, depending on the speed, and bridges the rotor speed increase limiter (16). When the wind turbine is shut down, the wind turbine blade is also slowly brought to a feathered position. As a result, the flow on the wind turbine blade is not suddenly jerked off because the change in the load is carried out slowly. An exception, of course, occurs when the rotor speed increase limiter (16) is inactive during an emergency shutdown.
Mit einer Spannungsregelungsschaltung wird die abgegebene Spannung des Synchrongenerators geregelt und dessen Erregermaschine überwacht. Die vollständige Erregungs- einheit besteht aus einem PID-Spannungsregler (22) und einer Überwachungseinheit (31), welche sowohl Fehler im PID-Spannungsregler (22) als auch im Synchrongenerator erkennt und im Bedarfsfall eine Schutzabschaltung ein- leitet. Der PID-Spannungsregler (22) ist mit einem auf den Feldstrom der Erregermaschine wirkenden, unterlegten Feldstromregler (23) verbunden. Ein Feldstrom-Maximum- Begrenzungsregler (24) wirkt im Fehlerfall zusätzlich auf den unterlegten Feldstromregler (23) ein. Mit dem PID- Spannungsregler (22) ist die SynchrongeneratorSpannung im Bereich der Synchrongeneratorfrequenz von 20 bis 60 Hertz frequenzproportional regelbar. Bei noch höheren Fre¬ quenzen wird die Spannung auf einem konstanten Wert gehalten. Der PID-Spannungregler (22) gewährleistet sowohl hohe statische Genauigkeit als auch ein optimales Regelverhalten. Die Ausgangsspannung des PID- Spannungsreglers (22) ist dem unterlegten Feldstromregler (23) , welcher als P-Regler mit konstanter Verstärkung ausgebildet ist, als Sollwert des Feldstromes zugeführt. Die AusgangsSpannung des unterlegten Feldstromreglers (23) wiederum wirkt auf einen Gittersteuersatz (26). Der Turbinendrehzahlistwert ist dem PID-Spannungsregler (22) über einen Kurvenbildner (21) zugeführt. Die Span¬ nungsversorgung des PID-Spannungsreglers (22) erfolgt über einen Gleichrichter (27) mit nachgeschaltetem aktivem Filter (25).The voltage output of the synchronous generator is regulated with a voltage regulating circuit and its exciter is monitored. The complete excitation unit consists of a PID voltage regulator (22) and a monitoring unit (31), which detects errors in the PID voltage regulator (22) as well as in the synchronous generator and initiates a protective shutdown if necessary. The PID voltage regulator (22) is connected to an underlying field current regulator (23) which acts on the field current of the excitation machine. A field current maximum limiting controller (24) also acts on the underlying field current controller (23) in the event of a fault. The PID voltage regulator (22) can be used to regulate the frequency of the synchronous generator in the range of the synchronous generator frequency from 20 to 60 Hertz. At even higher frequencies, the voltage is kept at a constant value. The PID voltage regulator (22) ensures both high static accuracy and optimal control behavior. The output voltage of the PID voltage regulator (22) is fed to the underlying field current regulator (23), which is designed as a P regulator with constant gain, as the setpoint of the field current. The output voltage of the underlying field current regulator (23) in turn acts on a lattice tax rate (26). The actual turbine speed value is fed to the PID voltage regulator (22) via a curve generator (21). The PID voltage regulator (22) is supplied with voltage via a rectifier (27) with an active filter (25) connected downstream.
Auch die Spannungsversorgung einer Überwachungseinheit (31) erfolgt über den Gleichrichter (27) mit nachge¬ schaltetem aktivem Filter (25). Die Teilspannungen des PID-Spannungsreglers (22) werden von der Überwachungs¬ einheit (31) auf "Ausfall überwacht. Fällt eine Teil¬ spannung aus, so führt dies zu einer Abschaltung der Windkraftanlage. Ein weiteres Abschaltkriterium wird aus dem Sollwert-Istwert-Vergleich der synchrongeneratorspannng in einer Vergleiσhsschaltung gewonnen.The voltage supply of a monitoring unit (31) also takes place via the rectifier (27) with an active filter (25) connected downstream. The partial voltages of the PID voltage regulator (22) are monitored by the monitoring unit (31) for " failure. If a partial voltage fails, this leads to the wind turbine being switched off. Another switch-off criterion is derived from the comparison of the setpoint and actual values the synchronous generator voltage is obtained in a comparison circuit.
Zur Beurteilung eines Regler- oder Generatorfehlers wird die Abweichung der Synchrongeneratorspannung gegenüber ihrem Sollwert gemessen. Weicht die GeneratorSpannung um mehr als eine einstellbare Differenzspannung während einer längeren Zeit als einer einstellbaren Verzöge¬ rungszeit ab, dann liegt ein Regler- oder Generatorfehler vor und eine Abschaltung wird eingeleitet. Der Auslöse- mechanismus für die Generatorabschaltung wird über einen Komparator (32) und ein Zeitglied (33) angesteuert.To assess a controller or generator fault, the deviation of the synchronous generator voltage from its setpoint is measured. If the generator voltage deviates by more than an adjustable differential voltage for a longer time than an adjustable delay time, then there is a controller or generator error and a shutdown is initiated. The triggering mechanism for the generator shutdown is controlled by a comparator (32) and a timer (33).
Mit dieser Anordnung können sowohl Fehler im PID- Spannungsregler (22), die auf eine Fehlfunktion des Reglers zurückgehen, festgestellt werden, als auch Fehler, die sich im Synchrongenerator selbst befinden. Zur Feststellung eines Generatorfehlers wird zusätzlich der Feldstrom des Synchrongenerators durch den Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler (24) überwacht. Ein Generatorfehler führt üblicherweise zu einem erhöhten Erregerbedarf, überschreitet der Feldstrom der Erreger¬ maschine den eingestellten Feldstrom-Maximalwert, dann greift der Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler (24) nach einer Verzögerungszeit in den PID-Spannungsregler (22) ein und führt durch Generatorspannungsabsenkung zu einer Abschaltung der Windkraftanlage.With this arrangement, errors in the PID voltage regulator (22) which are due to a malfunction of the regulator can be determined, as well as errors which are in the synchronous generator itself. To determine a generator fault, the field current of the synchronous generator is also monitored by the field current maximum limiting controller (24). A generator fault usually leads to an increased excitation requirement, the field current of the excitation machine then exceeds the set field current maximum value, then the field current maximum limiting controller (24) intervenes in the PID voltage controller (22) after a delay and leads to a shutdown of the wind power plant by reducing the generator voltage.
Betrieb der Windkraftanlage:Operation of the wind turbine:
Unter einer Windgesσhw. von 4,5 Metern pro Sekunde trudelt der Rotor im Freilauf, das Regelungs- und Steue¬ rungssystem ist inaktiv. Die Windturbinenrotorblätter sind in Segelstellung. Bei einer Windgeschwindigkeit von etwa. 4,5 Metern pro Sekunde erfolgt die Freigabe auf das Regelungs- und Steuerungssystem.Under a wind speed. The rotor spins freewheeling at 4.5 meters per second, the regulation and control system is inactive. The wind turbine rotor blades are in feathering. At a wind speed of about. The regulation and control system is released 4.5 meters per second.
Über den PID-Drehzahlregler (12) werden die Windturbi¬ nenrotorblätter von der Segelstellung in eine Anfahr¬ stellung gebracht. Durch eine Begrenzerschaltung .zwischen Rotorblattwinkelregler (15) und PID-Drehzahlregler (12) erfolgt nun ein langsames Anziehen der Windturbinenro¬ torblätter. Die Turbinendrehzahl beginnt nun langsam zu steigen, und bei etwa 18 Umdrehungen pro Minute wird die Erregung für den Synchrongenerator eingeschaltet.The wind turbine rotor blades are brought from the sail position into a starting position via the PID speed controller (12). A limiter circuit between the rotor blade angle controller (15) and the PID speed controller (12) now slowly winds up the wind turbine rotor blades. The turbine speed now begins to increase slowly, and the excitation for the synchronous generator is switched on at approximately 18 revolutions per minute.
Mit steigender Turbinendrehzahl wird nun über den Lei¬ stungssollwertgeber (= Kurvenbildner) (2) der Lei¬ stungssollwert gebildet. Die Windturbinenrotorblätter werden bis zur optimalen Stellung gebracht und durch den PID-Drehzahlregler (12) auf dieser Stellung gehalten.With increasing turbine speed, the power setpoint is now formed via the power setpoint generator (= curve generator) (2). The wind turbine rotor blades are brought to the optimal position and held in this position by the PID speed controller (12).
Wenn nun die Turbinendrehzahl mit steigender Windge¬ schwindigkeit den Nennsollwert des PID-Drehzahlreglers (12) erreicht, so vergrößert dieser über den Rotorblatt¬ winkelregler (15) den Anstellwinkel der Turbinenflügel und verhindert damit ein weiteres Ansteigen der Turbi¬ nendrehzahl. Der PID-Drehzahlregler (12) hält dadurch bei einem pendelnden Windüberangebot die Turbinendrehzahl auf dem Nennwert.If the turbine speed reaches the nominal setpoint of the PID speed controller (12) with increasing wind speed, this increases the angle of attack of the turbine blades via the rotor blade angle controller (15) and thus prevents a further increase in the turbine speed. The PID speed controller (12) thereby stops a fluctuating wind oversupply, the turbine speed at the nominal value.
Umgekehrt wird bei sinkender Windgeschwindigkeit und dadurch sinkender Turbinendrehzahl durch die vorgegebene Sollwertkennlinie der optimale Rotorblattwinkel wieder eingestellt. Bei kurzen Flauten, wenn der Drehzahl- Grundsollwert unterschritten wird, stellt der PID- Drehzahlregler den Turbinenflügel auf seinen Grund- Blattanstellwinkel.Conversely, when the wind speed drops and the turbine speed falls, the specified setpoint characteristic curve is used to reset the optimal rotor blade angle. In the event of short doldrums, when the speed falls below the basic speed setpoint, the PID speed controller sets the turbine blade to its basic blade pitch angle.
Beim Abstellen der Anlage werden die Windturbinenrotor¬ blätter aus der jeweiligen Position - also je nach Windgeschwindigkeit - in die Segelstellung gebracht. Die Leistung wird dabei nach der Turbinendrehzahl-When the system is switched off, the wind turbine rotor blades are brought into the sailing position from the respective position - that is, depending on the wind speed. The output is based on the turbine speed
Leistungs-Kurve abgegeben. Bei Erreichen einer Abstell- Drehzahl wird die Abgabeleistung null. Der Rotor trudelt im Freilauf weiter. Power curve submitted. When a shutdown speed is reached, the output power becomes zero. The rotor continues to spin in freewheel mode.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Regelungs- und Steuerungssystem für eine Windkraft¬ anlage, bestehend aus einer Windturbine und einem von dieser angetriebenem Synchrongenerator, wobei die Windturbine als ein um eine Achse drehbarer Rotor mit verstellbaren Rotorblättern ausgeführt ist und aus dem jeweiligen Turbinendrehzahlistwert verschiedene elektrische Vorgabewerte gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinendreh¬ zahlistwert jeweils dem Eingang einer ersten Glatt- ungsstufe erster Ordnung (1) und eines ersten aktiven Filters (4) und eines zweiten aktiven Filters (6) und einer zweiten Glattungsstufe erster Ordnung (11) sowie eines ersten Kurvenbildners (21) zugeführt ist, und daß der Ausgang der ersten Glattungsstufe erster Ordnung (1) mit dem Eingang eines LeistungsSollwertgebers (2) verbunden ist, und daß der Ausgang des Leistungssollwertgebers (2) mit dem Eingang einer Leistungsbegrenzungsstufe (3) verbunden ist, und daß der Ausgang der Leistungsbe- grenzungsstufe (3) mit einem ersten Eingang eines PID-Leistungsreglers (5) und dem Eingang einer - dritten Glattungsstufe erster Ordnung (13) sowie dem Ausgang des ersten aktiven Filters (4) verbunden ist, und daß der Eingang eines zweiten Kurvenbild- ners (14) mit dem Ausgang der dritten Glattungsstufe erster Ordnung (13) verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Leistungsreglers (5) mit einem ersten Eingang eines Stromreglers (7) und dem Ausgang des aktiven Filters (6) verbunden ist, und daß der Ausgang des Stromreglers (7) , indirekt über Gittersteuersatz und Thyristoren, mit einem Strom- versorgungshetz verbunden ist, und daß der Stromistwert einem zweiten Eingang des Stromreglers (7) zugeführt ist, und daß der Leistungsistwert einem zweiten Eingang des PID-Leistungsreglers (5) zugeführt ist, und daß der Ausgang der zweiten Glattungsstufe erster Ordnung (11) mit einem ersten Eingang eines PID-Drehzahlreglers (12) verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Drehzahlreglers 5 (12) mit einem ersten Eingang eines Rotorblatt¬ winkelreglers (15) und mit dem Ausgang des zweiten Kurvenbildners (14) sowie mit einem Rotordrehzahlanstiegsbegrenzer (16) verbunden ist, und daß der Drehzahlsollwert einem zweiten Eingang1. Regulation and control system for a wind power plant, consisting of a wind turbine and a synchronous generator driven by the latter, the wind turbine being designed as a rotor that can be rotated about an axis and having adjustable rotor blades, and various electrical default values are formed from the respective turbine speed actual value characterized in that the turbine speed actual value each corresponds to the input of a first smoothing stage of first order (1) and a first active filter (4) and a second active filter (6) and a second smoothing stage of first order (11) and a first curve generator ( 21) and that the output of the first smoothing stage of the first order (1) is connected to the input of a power setpoint generator (2), and that the output of the power setpoint generator (2) is connected to the input of a power limiting stage (3), and that the output of the power limitation stage (3) with a first on a PID power controller (5) and the input of a third smoothing stage of the first order (13) and the output of the first active filter (4), and that the input of a second curve generator (14) is connected to the output of the third First order smoothing stage (13) is connected, and that the output of the PID power regulator (5) is connected to a first input of a current regulator (7) and the output of the active filter (6), and that the output of the current regulator (7) , indirectly via a lattice control unit and thyristors, is connected to a power supply system and that the actual current value is fed to a second input of the current regulator (7) and that the actual power value is fed to a second input of the PID power regulator (5) and that the output of the second smoothing stage of the first order (11) is connected to a first input of a PID speed controller (12), and that the output of the PID speed controller 5 (12) is connected to a first input of a rotor blade angle controller ( 15) and with the output of the second curve generator (14) and with a rotor speed increase limiter (16), and that the speed setpoint is connected to a second input
10 des PID-Drehzahlreglers (12) zugeführt ist, und daß der Rotorblattwinkelistwert einem zweiten Eingang des Rotorblattwinkelreglers (15) zugeführt ist, und daß der Ausgang des Rotorblattwinkelreglers (15) mit einem Rotorblattverstellungsmechanismus verbunden10 of the PID speed controller (12), and that the rotor blade angle actual value is fed to a second input of the rotor blade angle controller (15), and that the output of the rotor blade angle controller (15) is connected to a rotor blade adjustment mechanism
15 ist, und daß der Ausgang des ersten Kurvenbildners (21) mit einem ersten Eingang eines PID-Spannungs¬ reglers (22) verbunden ist, und daß der Ausgang des PID-Spannungsreglers (22) mit einem ersten Eingang eines unterlegten Feldstromreglers (23) verbunden15, and that the output of the first curve generator (21) is connected to a first input of a PID voltage regulator (22), and that the output of the PID voltage regulator (22) is connected to a first input of an underlying field current regulator (23) connected
20 ist, und daß der Ausgang des unterlegten Feld¬ stromreglers (23) über einen Gittersteuersatz (26) mit der Feldwicklung einer Wechselstromerregerma¬ schine verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang des unterlegten Feldstromreglers (23) über einen20, and that the output of the underlying field current controller (23) is connected to the field winding of an AC excitation machine via a grid control unit (26), and that a second input of the underlying field current controller (23) is connected via a
25 Feldstrom-Maximum-Begrenzungsregler (24) mit einem dritten Eingang des unterlegten Feldstromreglers (23) verbunden ist, und daß die Generatoristspannung der Wechselspannungsseite eines Gleichrichters (27) zugeführt ist, und daß die Gleichspannungsseite des 0 Gleichrichters (27) über ein drittes aktives Filter (25) mit einem zweiten Eingang des PID- Spannungsreglers (22) verbunden ist.25 field current maximum limiting regulator (24) is connected to a third input of the underlying field current regulator (23), and that the generator voltage is supplied to the AC side of a rectifier (27), and that the DC voltage side of the 0 rectifier (27) is active via a third Filter (25) is connected to a second input of the PID voltage regulator (22).
2. Regelungs- und Steuerungssystem für eine Windkraft- 35 anläge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Eingang einer Überwachungseinheit (31), welche Fehler im PID-Spannungsregler (22) und im Synchrongenerator erkennt, mit dem zweiten Eingang des PID-Spannungsreglers (22) verbunden ist, und daß ein zweiter Eingang der Überwachungseinheit (31) mit dem ersten Eingang des PID-Spannungsreglers (22) verbunden ist, und daß der Ausgang der Überwa¬ chungseinheit (31) über einen Komparator (32) und über ein Zeitglied (33) mit einem Auslösemechanismus zur Generatorabschaltung verbunden ist. 2. Regulation and control system for a wind power plant according to claim 1, characterized in that a first input of a monitoring unit (31), which errors in the PID voltage regulator (22) and in Synchronous generator recognizes that is connected to the second input of the PID voltage regulator (22) and that a second input of the monitoring unit (31) is connected to the first input of the PID voltage regulator (22) and that the output of the monitoring unit ( 31) is connected via a comparator (32) and via a timing element (33) to a trigger mechanism for switching off the generator.
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