WO2004092579A1 - Energieversorgungseinrichtung für ein windkraftwerk - Google Patents

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WO2004092579A1
WO2004092579A1 PCT/EP2004/003664 EP2004003664W WO2004092579A1 WO 2004092579 A1 WO2004092579 A1 WO 2004092579A1 EP 2004003664 W EP2004003664 W EP 2004003664W WO 2004092579 A1 WO2004092579 A1 WO 2004092579A1
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PCT/EP2004/003664
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Hans-Joachim Krokoszinski
Bernhard Voll
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Renergys Gmbh
Hans-Joachim Krokoszinski
Bernhard Voll
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Definitions

  • the invention relates to an energy supply device for providing electrical own energy in components of a wind power plant according to the preamble of claim 1.
  • Such devices provide the electrical energy that is required to operate the components of a wind power plant.
  • Each of these wind power plants has one or more wind turbines that rotate at variable speeds.
  • Each wind turbine is equipped with a turbine generator. This is equipped with two or more rotor blades, which are attached to a rotatable drive shaft. The rotor of an electric generator is in mechanical connection with this drive shaft, either directly or via a gearbox.
  • the wind turbine is installed in a gondola at the top of a tower, which can be 80m or more high.
  • In-house electrical energy is required in wind power plants to supply the associated electrical components, such as servomotors for the angular adjustment of the rotor blades, electric motors for rotating nacelles or moving cranes and elevators, sensors from monitoring devices, measuring and control electronics, and data acquisition and communication electronics.
  • a battery arrangement is known from the prior art, one of which is installed in the turbine hub of each wind turbine.
  • the energy of the battery arrangement is used for the motors for angular adjustment of the rotor blades.
  • the battery arrangement is charged with electrical energy from a wiring harness of the wind turbine.
  • the auxiliary winding of an upward an alternating voltage is shown in the required amount.
  • the step-up transformer is connected in series with a converter. This is connected to the output of the generator of the wind turbine.
  • the level and frequency of the branched AC voltage is stabilized by a frequency converter.
  • the voltage thus obtained can be tapped on an auxiliary power supply. In addition, it can be converted into DC voltages of any level using a rectifier.
  • the energy supply comes from the voltage network of the wind power plant. This is possible as long as at least one wind turbine is still running in the wind farm or a central energy supply from the transformer station of the wind power plant maintains the voltage in the network.
  • the step-up transformer of each wind turbine is connected to the voltage network of the wind power plant via a circuit breaker. If, for example, the circuit breaker opens due to a fault in the wind turbine, a fault in the voltage network of the wind power plant or in the transformer station, the connection to this voltage network is interrupted. In the latter two cases, the wind turbine must be brought to a standstill immediately because its power is no longer removed from the grid. This means that it no longer provides energy for its own needs. Because of the open circuit breaker, there is no longer a supply of electrical energy from the voltage network of the wind power plant. In such cases, either the risk that a complete failure of the electrical power supply entails, or an energy storage device that bridges the fault time must be taken.
  • a small diesel engine with a generator and starter battery or an accumulator battery in the form of a lead battery bank is used for this.
  • auxiliary energy from the starter battery must be used for starting.
  • the motor also needs a certain amount of time to start up, during which the auxiliary energy is required, for example from a battery, to supply the remote control.
  • the diesel engine is an internal combustion engine that burns fossil fuels in an interior and thereby generates exhaust gases.
  • the Die Selvorrat must be replenished after a malfunction.
  • batteries it should be noted that they have a limited lifespan, are contaminated with toxic substances and represent a recycling problem.
  • the performance and capacities of batteries are based on volume and thus weight and weight
  • the object of the invention is to optimize the electrical energy supply for the own requirements of a wind power plant in such a way that an environmentally friendly supply with sufficient power and for a defined period of time for its components is ensured even in the event of faults.
  • each transformer station and / or each wind turbine of a wind power station is assigned an energy supply device which works with environmentally friendly and maintenance-free technology.
  • the energy supply facility receives the electrical energy required for the operation of a transformer station from the voltage network of the wind power plant in the event of a fault.
  • the electrical energy is fed from there via a medium-voltage switch and a medium-voltage / low-voltage transformer.
  • the self-generated energy is supplied from the power train of the associated wind turbine or, if this has to be switched off, also from the voltage network of the wind power plant.
  • Each energy supply device is provided with a distribution unit from which the energy required for a component can be tapped. If the voltage network of the wind power plant has to be switched off, the electrical energy for the energy supply device is generated from one or more energy stores with which the energy supply device is equipped.
  • the energy supply device is provided with an electrolysis device with an input rectifier, which converts water into hydrogen and oxygen in the event of a fault.
  • the hydrogen is stored in a dedicated gas tank. If necessary, the oxygen can also be stored in a gas tank.
  • the hydrogen is converted into electrical energy with the aid of a power generator which has one or more fuel cells, with the addition of air or the stored oxygen. This is then fed to the distribution unit by means of a suitable converter.
  • the capacities of the electrolysis device, the gas tank, the power generator and the converter are adapted to the amount of electrical energy required for the operation of a wind turbine or a transformer station.
  • the electrical energy generated from the hydrogen is available within a few seconds in the event of a fault. This time can be bridged by the remaining energy from the voltage network of the wind power plant.
  • the conversion of hydrogen into electrical energy is absolutely environmentally friendly. Only water is produced which can be reused for the production of hydrogen.
  • no acids, alkalis or even toxic substances such as heavy metals in the form of lead or cadmium are used.
  • the power generation is absolutely noisy Come on.
  • the energy supply device is essentially maintenance-free.
  • the supply of hydrogen is self-replenishing. This means that no fuel has to be brought in from outside.
  • the energy supply device has been proven to have a significantly longer service life than, for example, lead batteries. If sufficient ventilation of the energy supply device is ensured and the hydrogen concentration is monitored according to the prior art, there is no danger that an explosive mixture will form.
  • the gas storage can be dimensioned completely independently of the electrical power that is required for a component if the size of the gas tanks is adapted to the maximum time requirement that is foreseeable for bridging faults.
  • Fig. 2 is a transformer station of the wind power plant,.
  • FIG. 3 shows an energy supply device for a transformer station according to FIG. 2.
  • the distribution unit 2 has a single-phase connection 2A and a three-phase connection Provide connection 2B for alternating voltages, a transformer 8 and an alternating voltage / direct voltage switching network element 9.
  • the one shown here Embodiment can be tapped, for example, an AC voltage of 230V on the single-phase connection 2A and an AC voltage of 400V on the three-phase connection 2B.
  • the tensions are not fixed to these values, rather they are always adapted to the respective needs.
  • the number of connections 2A and 2A can also be increased as desired.
  • the energy supply device 1 is assigned to a wind turbine 10. This is formed by a rotor 11 with rotor blades 12, which is mechanically connected to an electrical generator 14 via a drive shaft 13, which may contain a gear (not shown here).
  • the voltage outputs of the generator 14 are connected to a converter 15, which is formed by the series connection of a rectifier 16 and an inverter 17.
  • the outputs of the step-up transformer 18 are connected via a three-phase AC voltage line 20, in which a circuit breaker 21 is integrated, to the voltage network 22 of a wind power plant (not shown here), to which the wind turbine 10 belongs.
  • the auxiliary winding 19 is designed here so that a three-phase AC voltage of 400 V can be tapped from it.
  • This AC voltage is applied to the rectifier 6 of the energy supply device 1 via a line 25.
  • the rectifier 6 is connected upstream of the electrolysis device 3 and supplies it with a DC voltage of a defined size.
  • the electrolysis device 3 is supplied with water (not shown here) which is split into hydrogen and oxygen by the electrical energy.
  • the hydrogen formed during the electrolysis of the water is passed into the gas tank 4.
  • the oxygen is discharged into the environment or also into a gas tank (not shown here).
  • the electrolysis of the water is based on the principle of pressure electrolysis. Hydrogen is fed into the gas tank 4 at pressures of several bar, preferably 15 bar to 30 bar, without any further compression stage. The same procedure is followed with the oxygen if it is also stored in a gas tank. If the circumstances require it, the hydrogen can also be filled into the gas tank 4 via a compressor stage (not shown here).
  • the gas tank 4 is adapted to the maximum expected operating periods and the available space by suitable selection of the volume and shape.
  • electricity (not shown here) generator 5 the one or more fuel cells includes' the hydrogen into electrical energy can be converted and the inverter are supplied.
  • the three-phase AC voltage present at the output of the inverter 7 is fed into the line 25.
  • the transformer 8 and the AC / DC Wegnet ⁇ element 9 are connected in parallel to the inverter 7 and connected to it via the electrical line 25.
  • the same also applies to the single-phase and three-phase AC voltage connections 2A and 2B of the distribution unit 2, from which 230V and 400V can be tapped.
  • 150V or 175V AC voltage is present at the output of the transformer 8.
  • the alternating voltage / direct voltage switching network element 9 is designed such that direct voltages of 5V, 10V and 24V are present at its outputs.
  • a disconnect switch 26 is installed in the line 25 between the connection of the inverter 7 and the connection of the rectifier 6.
  • the electrical energy for operating the wind turbine 10 is supplied from the auxiliary winding 19 to the distribution unit 2. If a fault occurs in the area of the wind turbine 10, the load break switch 15L is opened. The electrical energy for personal use can then be taken from the voltage network 22 of the wind power plant, as long as another wind turbine connected to it (not shown here) is working. If this is no longer the case or if the voltage network 22 has to be switched off because a fault has occurred within it, the wind turbine, if it is still running, is brought to a standstill as quickly as possible and the circuit breaker 21 is opened. At the same time, the disconnector 26 is opened.
  • an electronic trip clutch 27 which is connected to the circuit breaker 21 and the disconnector 26. If the isolating switch 26 is open, only the electrical energy supplied by the power generator 5 is fed to the distribution unit 2 via the inverter 7 and the line 25. The inverter 7 feeds an AC voltage into the line 25, which is as large as the AC voltage otherwise supplied by the auxiliary winding 19. The open circuit breaker 26 ensures that the electrical energy generated from the hydrogen is supplied to the distribution unit 2 and does not flow back into the rectifier 6. If the fault is eliminated, the circuit breaker 21 and the Disconnector 26 closed again. The electrical energy for the distribution unit 2 is then again supplied by the auxiliary winding 19.
  • FIG. 2 shows an energy supply device 1 which is assigned to a transformer station 30.
  • the wind turbines 10 belonging to the wind power station are connected to this transformer station 30.
  • the construction of all wind turbines 10 described here is known from the prior art, shown in FIG. 1 and explained in the associated description.
  • a defined number of generators 14 with the downstream converters 15, step-up transformers 18 and circuit breakers 21 are connected in parallel with one another.
  • These parallel connections 31 form the voltage network 22 of the wind power plant. They are each connected in parallel with one another via a power switch 32, which is designed for medium voltages, and connected to a medium-voltage switchgear 33, which is followed by a high-voltage transformer 34.
  • the high-voltage transformer 34 is connected to a high-voltage switchgear assembly 35 which is connected to a network (not shown here) via a high-voltage cable 36.
  • the energy supply device 1 is connected to the connection between the circuit breakers 32 and the medium-voltage switchgear 33 via a medium-voltage circuit breaker 37 and a medium-voltage / low-voltage transformer 38 connected in series therewith.
  • the power supply device 1 which is shown enlarged in FIG. 3, is constructed essentially as the power supply device 1 shown in FIG. 1 and explained in the associated description. The same components are therefore provided with the same reference numerals.
  • components 40 and 41 of the transformer station 30 are connected to the distribution unit 2, which comprise the heaters, the air conditioning systems and the ventilation devices as well as the control and communication devices and the living areas.
  • the distribution unit 2 is only provided with a single-phase connection 2A and a three-phase connection 2B for alternating voltages.
  • connection 2A for example, an AC voltage of 230V and at the three-phase connection 2B for an AC voltage of 400V.
  • tensions are not fixed to these values, rather they are always adapted to the respective needs.
  • the number of connections 2A and 2B can also be increased as required.
  • the electrical energy for operating the transformer station 30 and the components connected to it is taken directly from the voltage network 22. If faults occur, the medium-voltage switch 37 and the disconnector 26 are opened. The required electrical energy is then also generated here from the hydrogen which is stored in the gas tank 4.
  • the electrical power of, for example, 70 kW, which is required for the operation of such a transformer station 30, is a multiple of the self-consumption power of a wind turbine 10, which is between 1.5 kW and 9 kW.
  • the electrolysis device 3, the gas storage device 4 and the power generator 5 must therefore be designed to be significantly larger here.
  • an AC / DC switching network element 9 can be dispensed with, since a tap is provided in the components 40 and 41 for the individual voltage levels of 24V DC, 10V DC and 5V DC.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments described here. Rather, it includes all energy supply devices that can be assigned to the essence of the invention.

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Abstract

Es wird eine Energieversorgungseinrichtung (1) zum Bereitstellen von elektrischer Eigenbedarfsenergie in Komponenten eines Windkraftwerks in Form von Windturbinen (10), Spannungsnetzen (22) und Transformatorstationen (30) vorgestellt. Hierfür ist die Energieversorgungseinrichtung (1) mit einer Verteilereinheit (2) ausgerüstet. Diese bezieht die elektrische Energie für die Komponenten aus dem Windkraftwerk und bei definierten Störungen aus dem Inhalt wenigstens eines aufladbaren Energiespeichers (4). Der Energiespeicher (4) ist als ein mit Wasserstoff füllbarer Gastank (4) ausgebildet, der an ein Elektrolysegerät (3) für Wasser angeschlossen ist. Der Gasspeicher (4) ist mit einem Stromerzeuger (5) verbunden, der an die Verteilereinheit (2) angeschlossen ist.

Description

Energieversorgungseinrichtung für ein Windkraftwerk
Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungseinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Eigenbedarfsenergie in Komponenten eines Windkraftwerks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Mit solchen Einrichtungen wird die elektrische Energie bereit gestellt, die zum Betreiben der Komponenten eines Windkraftwerks erforderlich ist.
Windkraftwerke im großen Maßstab, die beispielsweise ablandig, im Bereich des Meeres installiert sind, stellen eine der aussichtsreichsten und umweltfreundlichen Energiequellen der Zukunft dar. Jedes dieser Windkraftwerke weist eine oder mehrere Windturbinen auf, die sich mit variabler Geschwindigkeit drehen. Jede Windturbine ist mit einem Turbinengenerator ausgerüstet. Dieser ist mit zwei oder mehreren Rotorblättern bestückt ist, die an einer drehbaren Antriebswelle befestigt sind. Mit dieser Antriebswelle steht der Rotor eines elektrischen Generators direkt oder über ein Getriebe in mechanischer Verbindung. Die Windturbine ist in einer Gondel am oberen Ende eines Turms installiert, der eine Höhe von 80m und mehr aufweisen kann.
Elektrische Eigenbedarfsenergie wird in Windkraftwerken dafür benötigt, die zugehörigen elektrischen Bauelemente wie Servomotoren für die Winkelverstellung der Rotorblätter, Elektromotoren zum Drehen von Gondeln oder Bewegen von Kränen und Aufzügen, Sensoren von Überwachungseinrichtungen, die Mess- und Regelelektronik sowie die Datenerfassungs- und Kommunikationselektronik zu versorgen.
Aus dem Stand der Technik ist unter anderem eine Batterieanordnung bekannt, wovon jeweils eine in der Turbinennabe einer jeden Windturbine installiert ist. Die Energie der Batterieanordnung wird für die Motoren zur Winkelverstellung der Rotorblätter genutzt. Die Batterieanordnung wird mit elektrischer Energie aus einem Leitungsstrang der Windturbine aufgeladen. Hierfür wird von der Hilfswicklung eines Aufwärts- transformators eine Wechselspannung in erforderlicher Höhe abgezeigt. Der Aufwärtstransformator ist mit einem Umrichter in Reihe geschaltet ist. Dieser steht mit dem Ausgang des Generators der Windturbine in Verbindung. Die abgezweigte Wechselspannung wird über einen Frequenzumrichter in Höhe und Frequenz stabilisiert. Die so gewonnene Spannung kann an einem Hilfsenergienet∑ abgegriffen werden. Zudem kann sie mit Hilfe eines Gleichrichters in Gleichspannungen beliebiger Höhe gewandelt werden. Kommt die Windturbine zum Stehen, weil eine Störung in der Leistungselektronik, der Steuerung oder der Überwachung vorliegt, oder weil der Wind mit zu geringer Geschwindigkeit weht, dann erfolgt die Energieversorgung aus dem Spannungsnetz des Windkraftwerks. Das ist so lange möglich, wie wenigstens noch eine Windturbine im Windpark läuft, oder eine zentrale Energieversorgung aus der Transformatorstation des Windkraftwerks die Spannung im Netz aufrecht erhält.
Der Aufwärtstransformator einer jeden Windturbine steht über einen Leistungsschalter mit dem Spannungsnetz des Windkraftwerks in Verbindung. Wenn sich der Leistungsschalter beispielsweise wegen eines Fehlers innerhalb der Windturbine, einer Störung im Spannungsnetz des Windkraftwerks oder in der Transformatorstation öffnet, dann ist die Verbindung zu diesem Spannungsnetz unterbrochen. In den beiden letzteren Fällen muss die Windturbine sofort zum Stehen gebracht werden, weil ihre Leistung nicht mehr vom Netz abgenommen wird. Damit liefert sie auch keine Energie mehr für ihren eigenen Bedarf. Eine Versorgung mit elektrischer Energie aus dem Spannungsnetz des Windkraftwerks ist wegen des geöffneten Leistungsschalters auch nicht mehr gegeben. In solchen Fällen muss entweder das Risiko eingegangen werden, das ein vollständiger Ausfall der elektrischen Energieversorgung mit sich bringt, oder es muss ein Energiespeicher eingesetzt werden, der die Störungszeit überbrückt.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass hierfür ein kleiner Dieselmotor mit Generator und Starterbatterie oder eine Akkumulator-Batterie in Form einer Bleibatterie-Bank verwendet wird. Bei der Verwendung eines kleinen Dieselmotors mit Generator und Starterbatterie muss schon für das Starten Hilfsenergie aus der Starterbatterie verwendet werden. Der Motor braucht zudem eine gewisse Zeit zum Hochlaufen, in der die Hilfsenergie beispielsweise aus einer Batterie zur Versorgung der Fernsteuerung benötigt wird. Bei dem Dieselmotor handelt es sich um eine Verbrennungsmaschine, die fossile Brennstoffe in einem Innenraum verbrennt, und dabei Abgase erzeugt. Der Die- selvorrat muss nach einer Störung aufgefüllt werden. Bei der Verwendung von Batterien ist zu beachten, dass diese nur eine begrenzte Lebensdauer haben, mit toxischen Stoffen belastet sind und ein Recyclingproblem darstellen. Zudem sind die Leistungen und die Kapazitäten von Batterien über das Volumen und damit das Gewicht und die
Kosten starr gekoppelt.
Ähnliche Schwierigkeiten treten bei der Transformatorstation eines Windkraftwerks auf, das ablandig im Bereich des Meeres errichtet ist. Wird die zugehörige Transformatorenstation, die auf einer Plattform installiert ist, vom Spannungsnetz des Windkraftwerks oder dem Verbundnetz abgetrennt, an welches das Windkraftwerk angeschlossen ist, so wird auch deren Energieversorgung für den Eigenbedarf unterbrochen. Für Reparaturarbeiten, die eine definierte Zeit nicht überschreiten, ist bei den bekannten Windkraftwerken hierfür ein starker Dieselmotor mit einem Generator vorgesehen, denn Batterien im Leistungsbereich bis 100 kW sind für die Überbrückung von mehreren Tagen ungeeignet.
Die Versorgung eines Wind raftwerks mit elektrischer Energie zum Betreiben seiner Komponenten ist bis jetzt noch nicht zufriedenstellend gelöst. Das gilt vor allem dann, wenn eine Störung im Bereich einer Windturbine auftritt, die elektrische Verbindung der Windturbine zum Spannungsnetz des Windkraftwerks unterbrochen wird, oder das gesamte Spannungsnetz des Windkraftwerks und/oder das Verbundnetz, an welches das Windkraftwerk angeschlossen ist, wegen eines Fehlers im elektrischen System abgeschaltet werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrische Energieversorgung für den Eigenbedarf eines Windkraftwerks so zu optimieren, dass auch bei Störungen eine umweltfreundliche Versorgung mit ausreichender Leistung und für einen definierten Zeitraum für deren Komponenten sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist jeder Transformatorstation und/oder jeder Windturbine eines Windkraftwerks eine Energieversorgungseinrichtung zugeordnet, die mit einer umweltfreundlichen und wartungsfreien Technik arbeitet. Die Energieversorgungseinrichtung erhält im störungsfreien Fall die elektrische Energie, die für den Betrieb einer Transformatorstation erforderlich ist, aus dem Spannungsnetz des Windkraftwerks. Die elektrische Energie wird ihr von dort über einen Mittelspannungsschalter und einen Mit- telspannungs-/Niederspannungstransformator zugeführt. Für eine Windturbine erfolgt die Lieferung der Eigenbedarfsenergie aus dem Leistungsstrang der zugehörigen Windturbine oder, wenn diese abgeschaltet werden muss, ebenfalls aus dem Spannungsnetz des Windkraftwerks.
Jede Energieversorgungseinrichtung ist mit einer Verteilereinheit versehen, an der die jeweils erforderliche Energie für eine Komponente abgegriffen werden kann. Muss das Spannungsnetz des Windkraftwerks abgeschaltet werden, wird die elektrische Energie für die Energieversorgungseinrichtung aus einem oder mehreren Energiespeichern erzeugt, mit denen die Energieversorgungseinrichtung ausgerüstet ist. Die Energieversorgungseinrichtung ist hierfür mit einem Elektrolysegerät mit Eingangsgleichrichter versehen, das im störungsfreien Fall Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umsetzt. Der Wasserstoff wird in einem hierfür vorgesehenen Gastank gespeichert. Der Sauerstoff kann bei Bedarf ebenfalls in einem Gastank gespeichert werden. Kommt es zu einer Störung, bei welcher das Spannungsnetz abgeschaltet werden muss, wird der Wasserstoff mit Hilfe eines Stromerzeugers, der eine oder mehrere Brennstoffzellen aufweist, unter Zuführung von Luft oder dem gespeicherten Sauerstoff in elektrische Energie umgesetzt. Diese wird dann mittels eines geeigneten Umrichters der Verteilereinheit zugeführt. Die Kapazitäten der Elektrolyseeinrichtung, des Gastanks, des Stromerzeugers und des Umrichters sind an die Menge der elektrische Energie ange- passt, die für den Betrieb einer Windturbine oder einer Transformatorstation erforderlich ist.
Die aus dem Wasserstoff erzeugte elektrische Energie steht bei einer Störung innerhalb von wenigen Sekunden zur Verfügung. Diese Zeit kann durch die noch vorhandene Restenergie aus dem Spannungsnetz des Windkraftwerks überbrückt werden. Die Wandlung von Wasserstoff in elektrische Energie ist im Gegensatz zur Verbrennung von Dieselöl absolut umweltfreundlich. Es entsteht lediglich Wasser, das für die Erzeugung von Wasserstoff wiederverwendet werden kann. Im Gegensatz zu Batterien werden hierbei keine Säuren, Laugen oder gar toxische Stoffe wie Schwermetalle in Form von Blei oder Cadmium eingesetzt. Die Energieerzeugung ist absolut geräusch- los. Die Energieversorgungseinrichtung ist im wesentlichen wartungsfrei. Der Vorrat ah Wasserstoff ist selbstnachfüllend. Das bedeutet, dass kein Kraftstoff von außen herangeschafft werden muss. Lediglich der geringe Wasserverlust, der durch Verdunstung verloren geht, muss durch Nachfüllen eines kleinen Vorratstanks mit destilliertem Wasser ersetzt werden, das bei Wartungsarbeiten miterledigt werden kann. Die Energieversorgungseinrichtung hat nachgewiesenermaßen eine wesentlich höhere Lebensdauer als beispielsweise Bleibatterien. Wird eine hinreichend gute Ventilation der Energieversorgungseinrichtung sichergestellt, und erfolgt eine Überwachung der Wasserstoffkonzentration nach dem Stand der Technik, besteht keine Gefahr, dass sich ein explosives Gemisch bildet. Die Dimensionierung der Gasspeicher kann völlig unabhängig von der elektrischen Leistung erfolgen, die für eine Komponente erforderlich ist, wenn die Größe der Gastanks an den maximalen Zeitbedarf angepasst wird, der für die Überbrückung von Störungen vorhersehbar ist.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Energieversorgungseinrichtung für die Windturbine eines Windkraftwerks,
Fig. 2 eine Transformatorstation des Windkraftwerks, .
Fig. 3 eine Energieversorgungseinrichtung für eine Transformatorstation gemäß Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine Energieversorgungseinrichtung 1 mit einer Verteilereinheit 2, einem Elektrolysegerät 3, einem Gastank 4, einem Stromerzeuger 5, einem Gleichrichter 6, und einem Wechselrichter 7. Die Verteilereinheit 2 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem einphasigen Anschluss 2A und einem dreiphasigen An- schluss 2B für Wechselspannungen, einem Transformator 8 und einem Wechselspan- nungs-/Gleichspannungs-SchaItnetzelement 9 versehen. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann an dem einphasigen Anschluss 2A beispielsweise eine Wechselspannung von 230V und an dem dreiphasigen Anschluss 2B eine Wechselspannung von 400V abgegriffen werden. Die Spannungen sind jedoch nicht auf diese Werte festgelegt, vielmehr werden sie immer an den jeweiligen Bedarf angepasst. Ebenso kann auch die Anzahl der Anschlüsse 2A und 2A beliebig erhöht werden.
Die Energieversorgungseinrichtung 1 ist einer Windturbine 10 zugeordnet. Diese wird durch einen Rotor 11 mit Rotorblättern 12 gebildet, der über eine Antriebswelle 13, die möglicherweise ein Getriebe enthält (hier nicht gezeichnet), mit einem elektrischen Generator 14 mechanisch verbunden ist. Die Spannungsausgänge des Generators 14 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an einen Umrichter 15 angeschlossen, der durch die Reihenschaltung eines Gleichrichters 16 und eines Wechselrichters 17 gebildet wird. Es ist jedoch auch möglich, den Generator 14 direkt über einen Lasttrennschalter 15L an einen Aufwärtstransformator 18 anzuschließen, der mit einer Hilfswicklung 19 versehen ist. Die Ausgänge des Aufwärtstransformators 18 sind über eine dreiphasige Wechselspannungsleitung 20, in die ein Leistungsschalter 21 integriert ist, an das Spannungsnetz 22 eines Windkraftwerks (hier nicht dargestellt) angeschlossen, zu welcher die Windturbine 10 gehört. Die Hilfswicklung 19 ist hier so ausgebildet, dass an ihr eine dreiphasige Wechselspannung von 400V abgegriffen werden kann. Über eine Leitung 25 steht diese Wechselspannung an dem Gleichrichter 6 der Energieversorgungseinrichtung 1 an. Der Gleichrichter 6 ist dem Elektrolysegerät 3 vorgeschaltet und versorgt dieses mit einer Gleichspannung definierter Größe. Dem Elektrolysegerät 3 wird Wasser (hier nicht dargestellt) zugeführt, das durch die elektrische Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Der bei der Elektrolyse des Wassers gebildete Wasserstoff wird in den Gastank 4 geleitet. Der Sauerstoff wird in die Umgebung abgeleitet oder ebenfalls in einen Gastank (hier nicht dargestellt) eingeleitet. Die Elektrolyse des Wassers erfolgt nach dem Prinzip der Druckelektrolyse. Dabei wird Wasserstoff mit Drücken von mehreren bar, vorzugsweise mit 15 bar bis 30 bar, ohne weitere Verdichtungsstufe in den Gastank 4 geleitet. In gleicher Weise wird mit dem Sauerstoff verfahren, wenn dieser ebenfalls in einem Gastank gespeichert wird. Falls es die Gegebenheiten erfordern, kann der Wasserstoff auch über eine Verdichterstufe (hier nicht dargestellt) in den Gastank 4 gefüllt werden. Der Gastank 4 wird durch geeignete Wahl des Volumens und der Form an die maximal zu erwartenden Betriebszeiträume und die jeweiligen Platzverhältnisse angepasst. Mit Hilfe des Strom- erzeugers 5, der eine oder mehrere Brennstoffzellen (hiernicht dargestellt) umfasst,' kann der Wasserstoff in elektrische Energie umgewandelt und dem Wechselrichter 7 zugeführt werden. Die am Ausgang des Wechselrichters 7 anstehende dreiphasige Wechselspannung wird in die Leitung 25 eingespeist. Der Transformator 8 und das Wechselspannungs-/Gleichspannungs-Schaltnet∑element 9 sind zu dem Wechselrichter 7 parallel geschaltet und über die elektrische Leitung 25 damit verbunden. Das gleiche gilt auch für die einphasigen und dreiphasigen Wechselspannungsanschlüsse 2A und 2B der Verteilereinheit 2, an denen 230V bzw. 400V abgegriffen werden können. Am Ausgang des Transformators 8 stehen bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel 150V oder 175V Wechselspannung an. Das Wechselspannungs-/Gleichspan- nungs-Schaltnetzelement 9 ist so ausgebildet, dass an seinen Ausgängen Gleichspannungen von 5V, 10V und 24V anstehen. Zwischen dem Anschluss des Wechselrichters 7 und dem Anschluss des Gleichrichters 6 ist ein Trennschalter 26 in die Leitung 25 eingebaut.
Solange keine Störungen im Bereich der Windturbine 10 oder dem Spannungsnetz 22 auftreten, wird die elektrische Energie zum Betreiben der Windturbine 10 von der Hilfswicklung 19 an die Verteilereinheit 2 geliefert. Tritt eine Störung im Bereich der Windturbine 10 auf, so wird der Lasttrennschalter 15L geöffnet. Die elektrische Energie für den Eigenbedarf kann dann aus dem Spannungsnetz 22 des Windkraftwerks entnommen werden, so lange noch eine weitere daran angeschlossene Windturbine (hier nicht dargestellt) arbeitet. Ist das auch nicht mehr der Fall, oder muss das Spannungsnetz 22 abgeschaltet werden, weil innerhalb dessen eine Störung aufgetreten ist, dann wird die Windturbine, falls sie noch läuft, so schnell wie möglich zum Stillstand gebracht und der Leistungsschalter 21 geöffnet. Gleichzeitig wird der Trennschalter 26 geöffnet. Das geschieht mit Hilfe einer elektronischen Auslösekupplung 27, die mit dem Leistungsschalter 21 und dem Trennschalter 26 in Verbindung steht. Ist der Trennschalter 26 geöffnet, wird nur noch die von dem Stromerzeuger 5 gelieferte elektrische Energie über den Wechselrichter 7 und die Leitung 25 der Verteilereinheit 2 zugeführt. Der Wechselrichter 7 speist eine Wechselspannung in die Leitung 25 ein, die ebenso groß ist wie die sonst von der Hilfswicklung 19 gelieferte Wechselspannung. Durch den geöffneten Trennschalter 26 wird sichergestellt, dass die aus dem Wasserstoff erzeugte elektrische Energie der Verteilereinheit 2 zugeführt wird und nicht wieder in den Gleichrichter 6 fließt. Ist die Störung behoben, werden der Leistungsschalter 21 und der Trennschalter 26 wieder geschlossen. Die ejektrische Energie für die Verteilereinheit 2 wird dann wieder von der Hilfswicklung 19 geliefert.
Figur 2 zeigt eine Energieyersorgungseinrichtung 1 , die einer Transformatorstation 30 zugeordnet ist. An diese Transformatorstation 30 sind die ∑u dem Windkraftwerk gehörenden Windturbinen 10 angeschlossen. Der Aufbau aller hier beschriebenen Windturbinen 10 ist aus dem Stand der Technik bekannt, in Fig. 1 dargestellt und in der zugehörigen Beschreibung erläutert. Jeweils eine definierte Anzahl von Generatoren 14 mit den nachgeschalteten Umrichtern 15, den Aufwärtstransformatoren 18 und Leistungsschaltern 21 sind parallel miteinander verschaltet. Diese Parallelschaltungen 31 bilden das Spannungsnetz 22 des Windkraftwerks. Sie sind über jeweils einen Leistungsschalter 32, der für Mittelspannungen ausgelegt ist, parallel miteinander verschaltet, und an eine Mittelspannungsschaltanlage 33 angeschlossen, der ein Hochspannungstransformator 34 nachgeschaltet ist. Der Hochspannungstransformator 34 steht mit einer Hochspannungsschaltanlage 35 in Verbindung, die über ein Hochspannungskabel 36 an ein Verbundnetz (hier nicht dargestellt) angeschlossen ist. Über einen Mittel- spannungsschutzschalter 37 und einen damit in Reihe geschalteten Mittelspannungs- /Niederspannungs-Transformator 38 ist die Energieversorgungseinrichtung 1 an die Verbindung zwischen den Leistungsschaltern 32 und der Mittelspannungsschaltanlage 33 angeschlossen.
Die Energieversorgungseinrichtung 1 , die in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist, ist im wesentlichen so aufgebaut, wie die in Fig. 1 gezeigte und in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Energieversorgungseinrichtung 1. Gleiche Bauelemente sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Trennschalter 26, der zwischen dem Eingang des Gleichrichters 6 und dem Ausgang des Wechselrichters 7 in die Leitung 25 integriert ist, steht über eine Auslösekupplung 27 mit dem Mittelspannungsschutzschal- ter 37 in Verbindung. An die Verteilereinheit 2 sind, wie Fig. 2 zeigt, Komponenten 40 und 41 der Transformatorenstation 30 angeschlossen, welche die Heizungen, die Klimaanlagen und die Lüftungseinrichtungen sowie die Steuerungs- und Kommunikationseinrichtungen und die Wohnbereiche umfassen. Die Verteilereinheit 2 ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nur mit einem einphasigen Anschluss 2A und einem dreiphasigen Anschluss 2B für Wechselspannungen versehen. An dem einphasigen Anschluss 2A kann beispielsweise eine Wechselspannung von 230V und an dem dreiphasigen Anschluss 2B eirie Wechselspannung von 400V abgegriffen werden. Die Spannungen sind jedoch nicht auf diese Werte festgelegt, vielmehr werden sie immer an den jeweiligen Bedarf angepasst. Ebenso kann auch die Anzahl der Anschlüsse 2A und 2B beliebig erhöht werden.
Solange keine Störungen auftreten, wird die elektrische Energie für den Betrieb der Transformatorstation 30 und den damit verbunden Komponenten dem Spannungsnet∑ 22 direkt entnommen. Treten Störungen auf, werden der Mittelspannungsschalter 37 und der Trennschalter 26 geöffnet. Die erforderliche elektrische Energie wird dann auch hier aus dem Wasserstoff erzeugt, der in dem Gastank 4 gespeichert ist. Die elektrische Leistung von beispielsweise 70kW, die für den Betrieb einer solchen Transformatorenstation 30 erforderlich ist, beträgt ein Vielfaches der Eigenbedarfsleistung einer Windturbine 10, die zwischen 1 ,5kW und 9kW liegt. Die Elektrolyseeinrichtung 3, der Gasspeicher 4 und der Stromerzeuger 5 müssen deshalb hier wesentlich größer ausgelegt werden. Bei der Verteilereinheit 2 kann auf ein Wechseispannungs- /Gleichspannungs-Schaltnetzelement 9 verzichtet werden, da ein Abgriff für die einzelnen Spannungsniveaus von 24V Gleichspannung, 10V Gleichspannung und 5V Gleichspannung in den Komponenten 40 und 41 vorgesehen ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele. Vielmehr umfasst sie alle Energieversorgungseinrichtungen, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Energieversorgungseinrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Eigenbedarfsenergie in Komponenten eines Windkraftwerks in Form von Windturbinen (10), Spannungsnetzen (22) und Transformatorstationen (30), gekennzeichnet durch wenigstens eine Verteilereinheit (2), welcher die für die Energieversorgung der Komponenten benötigte elektrische Leistung aus dem Windkraftwerk und bei definierten Störungen aus dem Inhalt wenigstens eines aufladbaren Energiespeichers (4) zuführbar ist.
2. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder Energiespeicher (4) als ein mit Wasserstoff füllbarer Gastank (4) ausgebildet ist, und mit einem Elektrolysegerät (3) für Wasser in Verbindung steht, dem ein Gleichrichter (6) vorgeschaltet ist, dass an den Gasspeicher (4) ein Stromerzeuger (5) angeschlossen ist, dem ein Wechselrichter (7) nachschaltet ist, und dass zwischen dem Eingang des Gleichrichter (6) und dem Ausgang des Wechselrichters (7) ein Trennschalter (26) installiert ist.
3. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolysegerät (3) Wasserstoff und Sauerstoff mit einem Ausgangsdruck von 6 bar und mehr erzeugbar sind, und dass der Energiespeicher (4) direkt mit Wasserstoff und eine weiterer Gasspeicher mit Sauerstoff in Überdruck befüllbar ist.
4. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromerzeuger (5) wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, welcher der Wasserstoff aus dem Gastank (4) und Luft aus der Umgebung oder Sauerstoff aus einem Gastank zuführbar ist, dass das in dem Stromerzeuger (5) gebildete Wasser einem Vorratsbehälter zuführbar ist, der mit dem Elektrolysegerät (3) in Verbindung steht, und dass die Größe des jeweiligen Gastanks (4) an den maximalen Energiebedarf von Windturbinen (10) und/oder Transformatorenstation (30) angepasst ist, der für die Überbrückung von Störungen vorhersehbar ist.
5. Energieversorgüngseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (14) einer jeden Windturbine (10) direkt oder über einen Umrichter (25) an eine Reihenschaltung mit einem Lasttrennschalter (15L), einem Aufwärtstransformator (18) und einem Leistungsschalter (21) angeschlossen ist, dass der Leistungsschalter (21) mit dem Spannungsnetz (22) des zugehörigen Windkraftwerks in Verbindung steht, dass die Verteilereinheit (2) und ein dem Elektrolysegerät (3) vorgeschalteter Gleichrichter (6) über eine dreiphasige elektrische Leitung (25) an eine Hilfswicklung (19) des Aufwärtstransformators (18) angeschlossen sind, dass die Verteilereinheit (2) ebenfalls über die Leitung (25) mit dem Wechselrichter (7) in Verbindung steht, der dem Stromerzeuger (5) nachgeschaltet ist, und dass der Verteilereinheit (2) die benötigte elektrische Leistung immer von der Hilfswicklung (19) oder dem Wechselrichter (7) aus zuführbar ist.
6. Energieversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilereinheit (2) und der dem Elektrolysegerät (3) vorgeschaltete Gleichrichter (6) an einen Mittelspannungs-/Niederspannungs-Transformator (38) anschließbar sind, der über einen Mittelspannungsschutzschalter (37) an die Verbindung zwischen den das Spannungsnetz (22) mit einer Mittelspannungsschaltanlage (33) der Transformatorenstation (30) verbindenden Leistungsschaltern (32) angeschlossen ist, dass der zwischen dem Gleichrichter (6) und dem Wechselrichter (7) der Energieversorgungseinrichtung (1) in die Leitung (25) eingebaute Trennschalter (26) über eine elektronische Auslösekupplung 27 mit dem Mittelspannungsschutzschalter (37) in Verbindung steht, und dass die Komponenten (40 und 41) der Transformatorenstation (30) an die Verteilereinheit (2) angeschlossen sind.
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