WO2006010190A1 - Triebstrang einer windkraftanlage - Google Patents

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WO2006010190A1 PCT/AT2005/000302 AT2005000302W WO2006010190A1 WO 2006010190 A1 WO2006010190 A1 WO 2006010190A1 AT 2005000302 W AT2005000302 W AT 2005000302W WO 2006010190 A1 WO2006010190 A1 WO 2006010190A1
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Definitions

  • the invention relates to a drive train of a wind turbine with a rotor as a drive for a transmission, wherein on a rotor hub of the rotor rotatable about its longitudinal axis rotor blades are mounted, connected to the transmission and to a power supply alternator and with a variable speed auxiliary drive for the Transmission.
  • the invention further relates to a method for controlling the speed or the torque in a drive train of a wind power plant, in which an alternator is driven by a transmission, which in turn is driven by a rotor shaft of a wind power plant and an auxiliary drive.
  • the auxiliary drive in turn is in the prior art eben ⁇ if connected to the generator shaft, via a Um ⁇ richter and another generator or motor, which is coupled directly to the drive shaft of the alternator.
  • the invention is therefore based on the object to provide a Triebs ⁇ strand with the features of the preamble of claim 1, which manages with less effort for the speed and torque control of the drive train and reduces the burden on the entire system. This object is achieved with a drive train having the features of claim 1.
  • the path is taken by individual control of the position of the rotor blades or of parts of the rotor blades, i. their pitch ("pitch") to the direction of rotation of the rotor or to the wind direction to achieve a homogenization of the Dreh ⁇ number of the drive train or the drive torque in conjunction with the auxiliary drive and to reduce the burden on the entire system.
  • auxiliary drive with the individual position control of the rotor blades further leads to the fact that the auxiliary drive can be made smaller in terms of its rated power.
  • the auxiliary drive for example, a 4-pole three-phase machine, even in the field weakening range (eg -2000 / min "" 1 ) is possible, whereas the auxiliary drive in generative operation is designed for a speed range up to, for example, + 1500 rpm.
  • the larger speed spread of the auxiliary drive makes a smaller nominal power of the auxiliary drive possible, since the necessary power of the auxiliary drive is proportional to the rated power of the system and to the speed range (slip).
  • the auxiliary drive may additionally be used in accordance with the invention to dampen driveline oscillations caused by the internal driveline dynamics.
  • a measuring device for detecting the rotational speed or arranged the torque on the output shaft of the transmission or on the drive shaft of the rotary current generator, a measuring device for detecting the rotational speed or arranged the torque.
  • the vibrations detected in this case can be used for a correspondingly coordinated drive of the auxiliary drive, whereby the drive train vibrations can be attenuated as a whole.
  • a measuring device for detecting the rotational speed or the torque to be arranged in the connection region of the auxiliary drive to the transmission and / or to the rotor shaft, since drive vibrations can also be detected well at this point.
  • the auxiliary drive is an asynchronous machine, which is connected via a converter to the power grid.
  • the required power in the case of a motor-driven drive is therefore taken directly from the power grid or reduces the power fed into the grid by the three-phase generator. Any resulting regenerative power is fed via the inverter into the power grid.
  • the auxiliary drive can also be a hydrostatic or hydrodynamic drive or torque converter.
  • the three-phase generator is a synchronous generator.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a drive train of a wind power plant according to the invention
  • FIG. 2 shows schematically an embodiment of the drive train with a planetary gear
  • FIG. 3 shows the course of the torque over time without the rotor blade adjustment and driveline damping according to the invention
  • FIG the course of the torque over time with the invention
  • a rotor 1 with rotor blades 2 drives a gear, preferably a planetary gear 4, via a rotor shaft 3.
  • a gear preferably a planetary gear 4
  • On the planetary gear 4 are a Dreh ⁇ current machine, in the illustrated embodiment synchronous machine 5 via a main shaft 6 and an auxiliary drive, for example in the form of a Asynchronous machine 7, connected via an auxiliary shaft 8.
  • the synchronous machine 5 is coupled directly to the grid via a line 9, whereas the asynchronous machine 7 is connected via an inverter 10 and a line filter 11 to the line 9 or the power network 12.
  • a transformer 13 and a main switch 14 can be switched between the line 9 and the power network 12.
  • Controlled the entire system of a control unit 15.
  • This control unit receives the following data: Via lines 16 and 17, the speed of the drive shaft 6 of the synchronous machine 5 and the auxiliary shaft 8 of the asynchronous machine 7. Via a line 18, the current of the asynchronous machine. Via a line 19, the DC link voltage of the inverter 10. Via a line 20 the line-side current. Via a line 21, the line-side voltage of the synchronous machine. Via a line 22, the line-side current and a line 23, the network-side voltage.
  • the control unit 15 calculates the corresponding setting values for the control of the individual components of the drive train.
  • the drives are controlled via a line 24 with which each rotor blade 2 individually adjusted, i. can be twisted about its longitudinal axis.
  • Via another line 25 the excitation of the synchronous machine 5 is controlled.
  • Via two lines 26 and 27 of the asynchronous machine side and the network-side part of the inverter 10 are controlled.
  • the main switch 14 is turned on and off.
  • the synchronous machine 5 Since the synchronous machine 5 is directly network-coupled, its speed is constant. At 50 Hz mains frequency, therefore, the speed of the synchronous machine is 3000 rpm "1 / p. Depending on the pole pair number p, the rotational speed can therefore be 3000 min -1 , 1500 min -1 , 1000 min -1 and so on. Since the wind turbine is to be operated with a variable speed of the rotor 1, the auxiliary drive 7 is used for speed compensation between the rotor and synchronous machine. As an auxiliary drive fed via the inverter 10 asynchronous machine (squirrel cage) is used. The converter is designed as a voltage source converter in which the switching elements are eg IGBTs.
  • a field-oriented control of the asynchronous machine 7 allows an accurate and combindy ⁇ namic adjustment of the torque.
  • the network-side part of the inverter 10 is also designed as an inverter, so that a Power flow in both directions is possible, ie the Asynchron ⁇ machine 7 can be used both as a generator and as a motor.
  • the coupling of the inverter 10 to the network 12 requires a line filter (sine wave filter) to limit the switching-frequency harmonic currents of the inverter 10 to the permissible level.
  • the speed of the synchronous machine 5 is constant.
  • the auxiliary drive 7 supplies the differential rotational speed and differential power between the rotor 1 and the synchronous machine 5. With small rotor powers or rotor speeds, the auxiliary drive 7 operates by motor, with larger outputs or rotational speeds as a generator.
  • the two manipulated variables for power control of the wind turbine are the pitch angle of the rotor blades 2 ("pitch") and the torque or the rotational speed of the auxiliary drive 7.
  • the torque of the auxiliary drive 7 is proportional to the torque of the synchronous machine 5 or propor ⁇ tional to the torque of the rotor 1.
  • the setting of a certain torque on the auxiliary drive therefore corresponds to a Drehmomentein ⁇ position on the synchronous machine fifth
  • the blade angle of the rotor blades 2 is kept constant on average and the torque adjusted in proportion to the square of the rotor speed.
  • the rotor 1 is always operated with the best possible aerodynamic efficiency.
  • the average torque of the synchronous machine is kept constant and controlled by means of the adjustment of the blade angle of the rotor blades 2, a constant speed or constant power, the setpoint for this purpose setpoint for all Rotor blades is the same.
  • the specified setpoint specifications for the blade angle and the torque of the rotor 1 of the control of the individual rotor blades can be overlaid with additional values which can be individually controlled or controlled for each rotor blade in order to improve the dynamic behavior and thereby reduce the load on the entire rotor Reduce plant.
  • additional influencing variables arise, for example, from the different wind speeds as a function of the height of the rotating rotor blades above the ground and interference effects that arise in the area of the mast of the wind turbine.
  • the grid connection behavior of the synchronous machine 5 corresponds to that of a conventional power plant with a synchronous machine.
  • the reactive power of the system can be set freely within the load limits by the excitation of the synchronous machine.
  • the speed ranges of the synchronous machine 5 and the Asynchron ⁇ machine 7 can be set, for example, in a 2000 KW system as follows:
  • n SM 12.92.n rotor - 0.1335.n ASM
  • the rated power of the auxiliary drive 7 has to amount to approximately only about 17% of the rated output of the system, so that the overall result is an extremely stable feed behavior of the wind turbine into the grid.
  • a drive train according to the invention is shown schematically, in which a three-stage gear 4 is used.
  • the first planetary stage 4a is designed conventionally, that is, the rotor shaft 3 is connected as a drive shaft with a planet carrier 30 and an output shaft 31 with a sun gear 32.
  • the output shaft 31 of the first gear stage 4a is at the same time the drive shaft of the second gear stage 4b, which in turn is connected to a planet carrier 33.
  • the output shaft 35 of the second gear stage 4b connected to a sun gear 34 is connected to the drive shaft 6 of the synchronous machine via a third gear stage 36.
  • the ring gear 38 of the second gear stage 4b is rotatable and is an ⁇ driven by the auxiliary drive 7 via a spur gear 39 and a gear 38.
  • the ring gear is provided for this purpose with an inner and an outer toothing.
  • FIG. 3 shows the torque curve without individual rotor blade control and without driveline steaming
  • FIG. 4 shows the torque curve with individual rotor blade control and with driveline steaming according to the invention. From the comparison of the two curves, it can be seen that the individual rotor blade control with the driveline vaporization causes a significant comparison of the torque, especially in the nominal load range, which leads to a corresponding reduction of the loads and thus also optimized design of the transmission, the three-phase machine and of the Auxiliary drive leads.

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Abstract

Bei einem Triebstrang einer Windkraftanlage ist ein Rotor (1) als Antrieb für ein Getriebe (4) vorgesehen, wobei auf einer Rotornabe des Rotors (1) um ihre Längsachse verdrehbare Rotorblätter (2) gelagert sind. An das Getriebe (4) und an ein Stromnetz (12) ist ein Drehstromgenerator (5) angeschlossen. Weiters ist ein drehzahlvariabler Hilfsantrieb (7) für das Getriebe (4) vorgesehen. Jedes Rotorblatt (2) weist zur Vergleichmäßigung der Drehzahl und/oder des Drehmomentes des Triebstranges einen eigenen Antrieb zum individuellen Verdrehen um seine Längsachse auf.

Description

Triebstrang einer Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft einen Triebstrang einer Windkraftanlage mit einem Rotor als Antrieb für ein Getriebe, wobei auf einer Rotor- nabe des Rotors um ihre Längsachse verdrehbare Rotorblätter gelagert sind, mit einem an das Getriebe und an ein Stromnetz angeschlossenen Drehstromgenerator und mit einem drehzahlvariablen Hilfsantrieb für das Getriebe.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Regeln der Drehzahl oder des Drehmomentes in einem Triebstrang einer Wind¬ kraftanlage, in dem ein Drehstromgenerator von einem Getriebe an¬ getrieben wird, das seinerseits von einer Rotorwelle einer Wind¬ kraftanlage sowie einem Hilfsantrieb angetrieben wird.
Bei Windkraftanlagen gibt es grundsätzlich die Möglichkeit, Synchrongeneratoren oder Asynchrongeneratoren zum Erzeugen des in das Stromnetz einzuspeisenden Stromes zu verwenden.
Bei beiden Varianten besteht das Problem, dass der vom Gener¬ ator erzeugte Strom exakt zum Netz synchronisiert werden muss, was aufwendige Steuerungen und Schaltungen bzw. Umrichter erfordert, die nicht nur in der Herstellung teuer, sondern auch mit einer mehr oder weniger großen Verlustleistung behaftet sind.
Weiters wirken sich Antriebsmomentschwankungen, welche durch ein ungleichmäßiges Windaufkommen bedingt sind, durch starke Lei¬ stungsschwankungen bei der Einspeisung in das Stromnetz negativ aus. Um diesem Nachteil abzuhelfen wurde bereits vorgeschlagen, das dem Generator vorgelagerte Getriebe mit einem drehzahlvariablen Hilfsantrieb auszustatten, der sowohl als Generator als auch als Motor betrieben werden kann. Dieser Hilfsantrieb, der sozusagen über eine zweite Antriebswelle an das Getriebe angebaut ist, dient dazu die Abtriebsdrehzahl des Getriebes zum Synchrongenerator hin kon¬ stant zu halten, was bei hohen Windgeschwindigkeiten und somit hoher Motordrehzahl bedeutet, dass der Hilfsantrieb als Generator arbei¬ tet, wogegen bei geringen Windgeschwindigkeiten ein motorischer Betrieb des Hilfsantriebes erforderlich ist. Der Hilfsantrieb seinerseits ist im Stand der Technik eben¬ falls mit der Generatorwelle verbunden, und zwar über einen Um¬ richter und einen weiteren Generator bzw. Motor, der unmittelbar mit der Antriebswelle des Drehstromgenerators gekuppelt ist. Dies er- fordert nicht nur einen hohen technischen Aufwand, sondern ist durch die zwei zusätzlichen Hilfsantriebe bzw. Generatoren und den Um¬ richter zwischen diesen beiden für eine Verringerung des Gesamt¬ wirkungsgrades in nicht unerheblichem Ausmaß mitverantwortlich. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde einen Triebs¬ strang mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zur Verfügung zu stellen, der mit einem geringeren Aufwand für die Drehzahl- und Drehmomentregelung des Triebsstranges auskommt und die Belastung der gesamten Anlage verringert. Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Antriebsstrang mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Diese Aufgabe wird des Weiteren mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Bei der Erfindung wird der Weg beschritten, durch eine indivi- duelle Steuerung der Position der Rotorblätter oder von Teilen der Rotorblätter, d.h. ihres Anstellwinkels ("pitch") zur Drehrichtung des Rotors bzw. zur Windrichtung, eine Vergleichmäßigung der Dreh¬ zahl des Triebsstranges bzw. des Antriebsdrehmomentes in Verbindung mit dem Hilfsantrieb zu erzielen und die Belastung der gesamten Anlage zu verringern.
Die Kombination eines Hilfsantriebes mit der individuellen Positionsregelung der Rotorblätter führt weiters dazu, dass der Hilfsantrieb bezüglich seiner Nennleistung kleiner ausgelegt werden kann. Durch eine effektive Nutzung des zur Verfügung stehenden Windes kann darüber hinaus im motorischen Betrieb mit kleineren Drehmomenten gefahren werden, wodurch ein Betrieb des Hilfsantriebes z.B. einer 4-poligen Drehstrommaschine, auch im Feldschwächebereich (z.B. -2000/min""1) möglich wird, wogegen der Hilfsantrieb im gener¬ atorischen Betrieb für einen Drehzahlbereich bis z.B. +1500/min"1 ausgelegt ist. Durch die größere Drehzahlspreizung des Hilfsantrie¬ bes wird eine kleinere Nennleistung des Hilfsantriebes möglich, da die notwendige Leistung des Hilfsantriebes proportional zur Nenn¬ leistung der Anlage und zum Drehzahlbereich (Schlupf) ist.
Der Hilfsantrieb kann gemäß der Erfindung zusätzlich dazu verwendet werden, Triebsstrangschwingungen, die durch die innere Triebstrangdynamik verursacht werden, zu dämpfen. Dazu wird an der Abtriebswelle des Getriebes bzw. an der Antriebswelle des Dreh¬ stromgenerators eine Messeinrichtung zum Erfassen der Drehzahl bzw. des Drehmomentes angeordnet. Die dabei erfassten Schwingungen können für einen entsprechend abgestimmten Antrieb des Hilfsantriebes herangezogen werden, wodurch die Triebstrangschwingungen insgesamt gedämpft werden können. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass im An¬ schlussbereich des Hilfsantriebes an das Getriebe und/oder an der Rotorwelle eine Messeinrichtung zum Erfassen der Drehzahl bzw. des Drehmomentes angeordnet ist, da sich auch an dieser Stelle Triebs¬ strangschwingungen gut erfassen lassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hilfsantrieb eine Asynchronmaschine, die über einen Umrichter mit dem Stromnetz verbunden ist. Die erforderliche Leistung bei motori¬ schem Antrieb wird daher direkt aus dem Stromnetz entnommen bzw. verringert die vom Drehstromgenerator in das Netz eingespeiste Leistung. Allenfalls anfallende generatorische Leistung wird über den Umrichter ins Stromnetz eingespeist. Da die Leistung des Hilfs¬ antriebes allerdings gering ist kann der Umrichter klein dimensio¬ niert werden und die Verlustleistung des Umrichters ist daher eben¬ falls klein. Alternativ kann der Hilfsantrieb auch ein hydrostatischer oder hydrodynamischer Antrieb bzw. Drehmomentwandler sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drehstromgener¬ ator ein Synchrongenerator.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbei¬ spieles der Erfindung.
Es zeigt: Fig. 1 einen Schaltplan eines Triebsstranges einer Windkraftanlage gemäß der Erfindung, Fig. 2 schematisch eine Aus¬ führungsform des Triebstranges mit einem Planetengetriebe, Fig. 3 den Verlauf des Drehmomentes über der Zeit ohne die erfindungsgemäße Rotorblattverstellung und Triebstrangdämpfung und Fig. 4 den Verlauf des Drehmomentes über der Zeit mit der erfindungsgemäßen Rotorblatt¬ verstellung und Triebstrangdämpfung
Wie Fig. 1 und 2 schematisch zeigt, treibt ein Rotor 1 mit Rotorblättern 2 ein Getriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe 4 über eine Rotorwelle 3 an. Am Planetengetriebe 4 sind eine Dreh¬ strommaschine, im dargestellten Ausführungsbeispiel Synchronmaschine 5 über eine Hauptwelle 6 und ein Hilfsantrieb, z.B. in Form einer Asynchronmaschine 7, über eine Hilfswelle 8 angeschlossen. Die Synchronmaschine 5 ist über eine Leitung 9 direkt mit dem Netz gekoppelt, wogegen die Asynchronmaschine 7 über einen Umrichter 10 und ein Netzfilter 11 an die Leitung 9 bzw. das Stromnetz 12 an- geschlossen ist. Zwischen die Leitung 9 und das Stromnetz 12 kann wie üblich ein Transformator 13 sowie ein Hauptschalter 14 geschal¬ tet sein.
Gesteuerte wird die gesamte Anlage von einer Steuereinheit 15. Diese Steuereinheit erhält folgende Daten: Über Leitungen 16 und 17 die Drehzahl der Antriebswelle 6 der Synchronmaschine 5 sowie der Hilfswelle 8 der Asynchronmaschine 7. Über eine Leitung 18 den Strom der Asynchronmaschine. Über eine Leitung 19, die Zwischenkreis- spannung des Umrichters 10. Über eine Leitung 20 den netzseitigen Strom. Über eine Leitung 21 die netzseitige Spannung der Synchron- maschine. Über eine Leitung 22 den netzseitigen Strom und über eine Leitung 23 die netzseitige Spannung.
Aus diesen Daten berechnet die Steuereinheit 15 die entspre¬ chenden Einstellwerte für die Steuerung der einzelnen Komponenten des Antriebstranges. Im Besonderen werden über eine Leitung 24 die Antriebe gesteuert mit denen jedes Rotorblatt 2 einzelnen verstellt, d.h. um seine Längsachse verdreht werden kann. Über eine weitere Leitung 25 wird die Erregung der Synchronmaschine 5 gesteuert. Über zwei Leitungen 26 und 27 werden der asynchronmaschinenseitige und der netzseitige Teil des Umrichters 10 gesteuert. Über eine weitere Leitung 28 wird der Hauptschalter 14 ein- und ausgeschaltet.
Da die Synchronmaschine 5 direkt netzgekoppelt ist, ist ihre Drehzahl konstant. Bei 50 Hz Netzfrequenz beträgt die Drehzahl der Synchronmaschine daher 3000 min"1 /p. Je nach Polpaarzahl p kann die Drehzahl daher 3000 min"1, 1500 min"1, 1000 min"1 usw. sein. Da die Windkraftanlage mit einer variablen Drehzahl des Rotors 1 betrieben werden soll dient der Hilfsantrieb 7 zum Drehzahlausgleich zwischen Rotor und Synchronmaschine. Als Hilfsantrieb wird eine über den Umrichter 10 gespeiste Asynchronmaschine (Käfigläufer) verwendet. Der Umrichter ist als Spannungszwischenkreisumrichter ausgeführt, bei dem die Schaltelemente z.B. IGBT' s sind. Eine feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine 7 ermöglicht eine genaue und hochdy¬ namische Einstellung des Drehmomentes. Der netzseitige Teil des Umrichters 10 ist ebenfalls als Wechselrichter ausgeführt, damit ein Leistungsfluss in beide Richtungen möglich ist, d.h. die Asynchron¬ maschine 7 sowohl als Generator als auch als Motor verwendet werden kann. Die Ankopplung des Umrichters 10 an das Netz 12 erfordert ein Netzfilter (Sinusfilter) um die schaltfrequenten Oberschwingungs- ströme des Umrichters 10 auf das zulässige Maß zu begrenzen.
Die Drehzahl der Synchronmaschine 5 ist konstant. Der Hilfs- antrieb 7 liefert die Differenzdrehzahl und Differenzleistung zwi¬ schen Rotor 1 und Synchronmaschine 5. Bei kleinen Rotorleistungen bzw. Rotordrehzahlen arbeitet der Hilfsantrieb 7 motorisch, bei größeren Leistungen bzw. Drehzahlen generatorisch. Bei der erfin¬ dungsgemäßen Ausführungsform des Triebstranges sind die beiden Stellgrößen zur Leistungssteuerung der Windkraftanlage der Blatt¬ winkel der Rotorblätter 2 ("pitch") und das Drehmoment bzw. die Drehzahl des Hilfsantriebes 7. Das Drehmoment des Hilfsantriebes 7 ist proportional zum Drehmoment der Synchronmaschine 5 bzw. propor¬ tional zum Drehmoment des Rotors 1. Die Einstellung eines bestimmten Drehmoments am Hilfsantrieb entspricht daher einer Drehmomentein¬ stellung an der Synchronmaschine 5.
Bei Windgeschwindigkeiten unterhalb der Nenngeschwindigkeit, was einer Rotorleistung unterhalb der Nennleistung entspricht wird der Blattwinkel der Rotorblätter 2 im Mittel konstant gehalten und das Drehmoment proportional zum Quadrat der Rotordrehzahl verstellt. Damit wird der Rotor 1 stets mit bestmöglichem aerodynamischen Wirkungsgrad betrieben. Bei Windgeschwindigkeiten über der Nenngeschwindigkeit, d.h. einer Rotorleistung über der Nennleistung, wird das Mittel des Drehmomentes der Synchronmaschine konstant gehalten und mit Hilfe der Verstellung des Blattwinkels der Rotorblätter 2 eine konstante Drehzahl bzw. konstante Leistung geregelt, wobei der für diesen Zwecke vorgegebene Sollwert für alle Rotorblätter gleich ist. Zu¬ sätzlich können den genannten Sollwertvorgaben für den Blattwinkel und das Drehmoment des Rotors 1 der Steuerung der einzelnen Rotor¬ blätter noch zusätzliche, für jedes Rotorblatt individuell regelbare bzw. gesteuerte Werte überlagert werden um das dynamische Verhalten zu verbessern und dadurch die Belastung an der gesamten Anlage zu reduzieren. Derartige zusätzliche Einflussgrößen ergeben sich z.B. aus den unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Höhe der sich drehenden Rotorblätter über dem Boden sowie Stör- effekte, die sich im Bereich des Mastes der Windkraftanlage ergeben. Das Netzanschlussverhalten der Synchronmaschine 5 entspricht dem eines konventionellen Kraftwerks mit einer Synchronmaschine. Die Blindleistung der Anlage kann innerhalb der Belastungsgrenzen durch die Erregung der Synchronmaschine frei eingestellt werden. Durch eine netzspannungsabhangige Vorgabe der Blindleistung kann zur Spannungsregelung im Netz beigetragen werden. Im Falle von Netz- storungen (Spannungseinbruche usw.) ergibt sich das bekannte Verhal¬ ten einer Synchronmaschine, d.h. eine Synchronmaschine bleibt am Netz und kann einen entsprechenden Kurzschlussstrom einspeisen. Dadurch werden die einschlagigen Forderungen der Ubertragungs- und Verteilnetzbetreiber (z.B. "E:ON-Richtlinie") ohne zusatzliche technische Maßnahmen in einfacher Weise erfüllt. Der große Kurz¬ schlussbeitrag der Synchronmaschine gewahrleistet dabei die Funktion eines selektiven Netzschutzes in gewohnter Weise.
Die Drehzahlbereiche der Synchronmaschine 5 und der Asynchron¬ maschine 7 können beispielsweise bei einer 2000 KW-Anlage wie folgt eingestellt werden:
Drehzahlbereiche: Rotor: Synchronmaschine: Asynchronmaschine: nrain = 10 min"1 n = 1000 min"1 nmn = -2000 min" n„,av = 16.5 min"1 n = 1000 min"1 = 1500 min"1
Aus der Drehzahlgleichung
nSM = 12,92.n Rotor - 0,1354.n ASM
kann die Drehmomentgleichung
M M
M 1 SM = Rotor M =- Rotor
72 . 92 ASM 538 . 6
abgeleitet werden . Daraus ergeben sich folgende Leistungen bei Nenndrehzahl und Nennmoment :
Rotor: PR = 200OkW (16.5rpm, 1157.5kNm) Synchronmaschine: PSM = 1662 kW (lOOOrpm, 15.87kNm) Asynchronmaschine: PASM = 338 kW (1500rpm, 2.15kNm)
Daraus ist ersichtlich, dass die Nennleistung des Hilfsantrie- bes 7 etwa nur etwa 17% der Nennleistung der Anlage betragen muss, sodass sich insgesamt ein äußerst stabiles Einspeiseverhalten der Windkraftanlage in das Netz ergibt.
Durch eine exakte Messung der Drehzahl bzw. des Drehmoments der Antriebswelle 6 und/oder der Hilfswelle 8 lassen sich auch Triebstrangschwingungen, die durch die Dynamik des Triebstranges selbst entstehen, sehr genau erfassen. Es wird dadurch möglich diesen Schwingungen entgegen zu steuern, d.h. diese Schwingungen zu dämpfen, indem der Hilfsantrieb 7 entsprechend abgestimmt so an¬ getrieben wird, dass die Triebstrangschwingungen gedämpft werden. Die Berechnung dieser schwingungsdämpfenden Gegenmaßnahmen erfolgt ebenfalls in der Steuereinheit 15, welche in weiterer Folge den Umrichter 10 entsprechend steuert.
In Fig. 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Triebstrang dargestellt, bei dem ein dreistufiges Getriebe 4 verwendet wird. Die erste Planetenstufe 4a ist konventionell ausgeführt, das heißt, dass die Rotorwelle 3 als Antriebswelle mit einem Planetenträger 30 und eine Abtriebswelle 31 mit einem Sonnenrad 32 verbunden ist. Die Abtriebswelle 31 der ersten Getriebestufe 4a ist gleichzeitig die Antriebswelle der zweiten Getriebestufe 4b, die wiederum mit einem Planetenträger 33 verbunden ist. Die mit einem Sonnenrad 34 verbun¬ dene Abtriebswelle 35 der zweiten Getriebestufe 4b ist über eine dritte Getriebestufe 36 mit der Antriebswelle 6 der Synchronmaschine verbunden.
Während das Hohlrad 37 der ersten Getriebestufe 4a fest steht, ist das Hohlrad 38 der zweiten Getriebestufe 4b drehbar und wird vom Hilfsantrieb 7 über eine Stirnradstufe 39 und ein Zahnrad 38 an¬ getrieben. Das Hohlrad ist zu diesem Zweck mit einer innen- und einer Außenverzahnung versehen. Durch Verdrehen des Hohlrades 38 mit verschiedenen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen Drehrichtungen kann daher das Übersetzungsverhältnis der zweiten Getriebestufe 4b so verändert werden, dass die Welle 6 auch bei variabler Drehzahl der Rotorwelle 3 immer mit konstanter Drehzahl angetrieben wird.
In Fig. 3 und 4 sind Schwankungen des Antriebsmomentes bei turbulenten Windverhaltnissen als Drehmomentverlauf an der Antriebs¬ welle 3 über der Zeit dargestellt. Fig. 3 zeigt den Drehmomentver¬ lauf ohne individuelle Rotorblattregelung und ohne Triebstrangdamp- fung und Fig. 4 den Drehmomentverlauf mit individueller Rotorblatt- regelung und mit Triebstrangdampfung gemäß der Erfindung. Aus dem Vergleich der beiden Kurvenverlaufe ist erkennbar, dass die indivi¬ duelle Rotorblattregelung mit der Triebstrangdampfung eine deutliche Vergleichmaßigung des Drehmomentes vor allem im Nennlastbereich bewirkt, was zu einer entsprechenden Reduktion der Belastungen und somit auch optimierter Auslegung des Getriebes, der Drehstrommaschi¬ ne und des Hilfsantriebes fuhrt.

Claims

Ansprüche :
I. Triebstrang einer Windkraftanlage mit einem Rotor als An¬ trieb für ein Getriebe, wobei auf einer Rotornabe des Rotors um ihre Längsachse verdrehbare Rotorblatter gelagert sind, mit einem an das Getriebe und an ein Stromnetz angeschlossenen Drehstromgenerator und mit einem drehzahlvariablen Hilfsantrieb für das Getriebe, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorblatt einen eigenen Antrieb zum individuellen Verdrehen um seine Längsachse aufweist.
2. Triebstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb motorisch und generatorisch betrieben werden kann.
3. Triebstrang nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb für einen Betrieb mit asymmetrischem Drehzahl¬ bereich, z.B. von -2000 bis +1500 min"1, ausgelegt ist.
4. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass an einer Abtriebswelle des Getriebes oder an einer Antriebswelle des Drehstromgenerators eine Messeinrichtung zum Erfassen der Drehzahl und/oder des Drehmomentes angeordnet ist.
5. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass im Anschlussbereich des Hilfsantriebes an das
Getriebes eine Messeinrichtung zum Erfassen der Drehzahl und/oder des Drehmomentes angeordnet ist.
6. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Hilfsantrieb eine Asynchronmaschine ist, die über einen Umrichter mit dem Stromnetz verbunden ist.
7. Triebstrang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb ein hydrostatischer oder hydrodynamischer Antrieb bzw. Drehmomentwandler ist.
8. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Drehstromgenerator ein Synchrongenerator ist.
9. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass der Antrieb jedes Rotorblattes mittels individu¬ eller Sollwertvorgaben individuell ansteuerbar ist.
10. Triebstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe ein Planetengetriebe ist.
II. Verfahren zum Regeln der Drehzahl oder des Drehmomentes in einem Triebstrang einer Windkraftanlage, in dem ein Drehstromgener¬ ator von einem Getriebe angetrieben wird, das seinerseits von einer Rotorwelle einer Windkraftanlage sowie einem Hilfsantrieb angetrie¬ ben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergleichmäßigung der Drehzahl und/oder des Drehmomentes des Triebstranges jedes Rotor¬ blatt über einen eigenen Antrieb um seine Längsachse verdreht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antrieb eines jeden Rotorblattes ein individueller Sollwert vorgegeben werden kann.
13.Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb motorisch und generatorisch betrieben wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Schwingungen des Triebstranges gemessen und durch ein abgestimmtes Antreiben oder Abbremsen des Hilfsantriebes gedämpft werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Antriebswelle der Dreh¬ strommaschine erfasst wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Ab¬ triebswelle des Hilfsantriebes erfasst wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl und/oder das Drehmoment der Rotor¬ welle erfasst wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bekannte und/oder gemessene und/oder periodisch wiederkehrende Belastungsschwankungen durch äußere Kräfte zur Be¬ rechnung der Antriebssteuerung verwendet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb über einen Umrichter direkt an das Stromnetz angeschlossen ist.
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