WO2012048743A1 - Current-transmitting device for a wind power plant - Google Patents

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WO2012048743A1
WO2012048743A1 PCT/EP2010/065344 EP2010065344W WO2012048743A1 WO 2012048743 A1 WO2012048743 A1 WO 2012048743A1 EP 2010065344 W EP2010065344 W EP 2010065344W WO 2012048743 A1 WO2012048743 A1 WO 2012048743A1
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power
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inverter
power transmission
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PCT/EP2010/065344
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Peter Steimer
Stephan Ebner
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Abb Schweiz Ag
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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/76Power conversion electric or electronic aspects

Definitions

  • the invention relates to the field of power generation from wind.
  • the invention relates to an electric power transmission device for a wind power plant, a wind turbine, in particular an offshore wind turbine, the use of the power transmission device in the wind turbine, and a method for transmitting electrical power to a wind turbine For example, a large-scale transmission network.
  • Wind turbines such as so-called wind farms, serve to generate electrical energy from wind power. These plants are becoming increasingly important as they generate their energy from a renewable energy source, unlike most conventional power plants.
  • Large-scale wind turbines which are used to generate electrical energy for the nationwide power grid, typically have a plurality of wind turbines. These wind turbines are usually distributed over a large area and can be several 100 m or up to several kilometers apart. Frequently, the wind turbines are built in the sea, such a wind turbine is therefore also called offshore facility.
  • a wind turbine may include a tower on which there is a nacelle equipped with a generator and a rotor attached to the shaft of the generator. The generator is designed to convert mechanical energy from the rotor, whose rotor blades are driven by wind, into electrical energy.
  • the wind turbine further includes a transformer that transforms the electrical power generated by the generator to the voltage of a first power transmission network that transmits electrical energy from the individual wind turbines to a central point or central station where the electrical energy of the wind turbines then travel the mains voltage of another second large-scale transmission network is transformed, which transmits the electrical energy to the consumers.
  • a first aspect of the invention is a wind turbine.
  • the wind turbine comprises at least a first wind turbine with a first generator and a second wind turbine with a second generator.
  • the wind turbine may include not only two wind turbines but a large number of wind turbines, or a plurality of wind turbines, each having at least one generator.
  • the individual wind turbines may comprise a tower which may be several hundred meters high and may in turn be spaced from one another up to several kilometers apart and from a central station of the wind turbine.
  • the wind turbine comprises a power transmission device having a power transmission network for transmitting an electric power from the first generator to a central station of the wind turbine and a second electric power from the second generator to the central station.
  • the plurality of wind turbines are connected to the central station via the power transmission network and thus also the generators are connected to the central station via the power transmission network.
  • the power transmission network can thus include power lines that can be from a few hundred meters to several kilometers long.
  • the power transmission network may include a first power line for the first power from the first generator and a second power line for the second power from the second power rato ns, which may be merged before or at the second power station ,
  • the power transmission network has, for example, a star-shaped topology, in which the individual power lines are brought together by the wind turbines or generators only at the central station, or even that the power lines from the wind turbines or from the generators to one or several manifolds are connected.
  • the arrangement with one or more busbars is sometimes referred to as "daisy-chain" topology, and multiple busbars may be merged in front of or at the central station, but it is also possible that only a single bus is present.
  • the power transmission network and the power lines are usually designed for the transmission of multiphase AC or DC and can have multiple individual conductors.
  • the power transmission network or the power lines for transmitting three-phase current for example three-phase current, or else carried out by multi-phase current.
  • a power line for transmitting three-phase three-phase current has four individual conductors.
  • the central station which may normally be a building or a platform, which may be located either on land or, in the case of an offshore installation, also on the sea, may be used to connect the wind turbine to a large (another) Power transmission network serve.
  • the central station is the interface between the (first) power transmission network from the wind turbines to the (second) large-scale transmission network, which in turn can transport the electrical energy over many 1000 km and includes, for example, the transmission line of an electricity supplier.
  • the central station may be located at least several 100 meters from each of the wind turbines, but also several kilometers away,
  • the (first) power transmission network may include other electrical components such as inverters and switches.
  • the power transmission network does not include a transformer in front of the central station. For example, only a central transformer is arranged in the central station. Alternatively, it is also possible that a plurality of central transformers are arranged in the central station, for example for each wind turbine one.
  • the power transmission network includes other electrical components, such as an inverter or a plurality of inverters or switches, it is possible that the power transmission network does not include a transformer between these further electrical components and the wind turbine.
  • the transformer can be arranged only after these electrical components.
  • the electric power is conducted from the wind turbines to the central station with the voltage generated by the wind turbines. So with the voltage generated by the generators of the wind turbines.
  • the power transmission network it is possible for the power transmission network to transmit alternating current or direct current to a first voltage of, for example, 13.8 kV.
  • Such an arrangement of the components of the transmission network can be made possible in that high-power semiconductor modules are scaled in terms of power and voltage, which can be realized inexpensively and relatively low maintenance.
  • generators for the wind turbines which supply a higher voltage, which can now also be processed directly without voltage transformation by electrical components of the transmission network, such as converters.
  • the power transmission device comprises a central transformer, which is designed to transform the first and the second current to a network voltage of a further (second) power transmission network.
  • the central transformer performs a voltage transformation from the first voltage (that is, the generator voltage of the first transmission network) to a second voltage (that is, the mains voltage of the large-area second power transmission network).
  • this voltage transformation can be a transformation from 13.8 KV to 150 kV.
  • the first and second power lines of the first and the first generator may be commonly connected to the transformer, that is, the central transformer for the two generators or the plurality of generators , but can also be used for all generators of the wind power plant for planting. It is also possible that the transformer in the above-mentioned "daisy-chain" arrangement or topology is connected to one of the manifolds or also to all busbars, so that it is possible that the entire wind turbine only a central transformer, which is responsible for the voltage transformation of all wind turbines includes.
  • the central transformer is arranged in the central station or associated with a centrally located wind turbine or turbine.
  • a Wind turbine can also include the central station. In this way, the transformer can be easily installed and maintained.
  • the power transmission device or the power transmission network comprises further electrical components such as a Umrichtvorraum or switch for disconnecting the wind turbines or their generators and / or connected thereto power lines from the wind turbine.
  • the converter device is designed to convert the first current to a mains frequency of the power transmission network and to convert the second current to the network frequency of the power transmission network.
  • the frequency of the electric current in the power transmission network or the power transmission device changes, but not the voltage of the current. Inverting may be changing the frequency of an alternating current, but may also be transforming a direct current into an alternating current or a direct current into alternating current.
  • the line frequency of the (first) power transmission network is also the line frequency of the (second) further large-scale power transmission network, for example 50 or 60 Hz.
  • the converter device is arranged in the central station of the wind power plant or in a centrally located wind turbine or turbine.
  • the converter device can be a central converter device.
  • locally arranged transformations in the wind turbines and locally arranged inverter can be omitted in the wind turbines, which on the one hand reduces the procurement costs for the entire wind turbine, but also can help to reduce maintenance costs.
  • the converter device can have a first converter for converting the first current and a second converter for converting of the second stream.
  • the first inverter and the second converter can be two separate devices that can operate both electrically and spatially separated from each other.
  • the first converter may be arranged in the first power line from the first generator and the second converter in the second power line from the second generator.
  • the two inverters can be connected together with the central transformer.
  • the first converter is arranged in the first wind turbine. It may also be possible that the second converter is arranged in the second wind turbine. If the two converters are each arranged in the wind turbines assigned to them, it may be possible for the first and the second power line to be brought together or connected to one another before the central station, since it is possible for the electric current to already be present at this point the right frequency and also the right phase has been redirected.
  • the first inverter is arranged in the central station. It may also be possible for the second converter to be arranged in the central station. If the two inverters are arranged in the central station, power lines run from the individual wind turbines to the central station and it is possible that the above-mentioned star-shaped topology for the transmission network arises.
  • the inverter either at the beginning of the power lines, that is, the respective generator or in the wind turbine, or even at the end of the power lines, that are located at the central station or in the central station. But it is also possible that is arranged at a part of the wind turbine, the inverter at the wind turbine, for example in the wind turbines, which are relatively close to the central station, but also in another part of the wind turbines, the associated inverter near or is located in the central station.
  • the wind turbine may, in addition to the power transmission network described so far, include at least one further power transmission network, which is not the previously has described star-shaped topology.
  • This further transmission network may be a DC transmission network and may include other inverters that are part of the Umrichtvoriques.
  • the converter device comprises a first rectifier for rectifying the first current into a first direct current and the second rectifier for rectifying the second current into a second direct current, the converter device comprising a converter for generating an alternating current from the first and second direct current includes.
  • the conversion device is an indirect converter, which comprises a plurality of rectifiers, but only one associated power converter or inverter.
  • a rectifier may be a device that converts an alternating current into a direct current and a converter or inverter in turn a device that converts a direct current into an alternating current.
  • the rectifiers can be active or passive rectifiers.
  • an active rectifier may be a rectifier whose function can be controlled, for example, via semiconductor switches, such as transistors or thyristors.
  • a passive rectifier for example, a diode rectifier can be understood.
  • Such a passive rectifier can also be combined, for example, with passive fill and compensation networks, in particular with capacitors, in series or shunt circuit (shunt circuit).
  • the first rectifier is arranged in a first wind turbine and the second rectifier in a second wind turbine. That is, the first rectifier is arranged at the beginning of a first power line and the second rectifier at the beginning of a second power line.
  • the converter connected to the two rectifiers can be arranged as a central power converter in the central station.
  • the (first) power transmission network is also a power transmission network that transmits a high-voltage direct current.
  • the wide transmission network comprises a common power line for transmitting a first and a second current to which a first generator and a second generator are connected, the converter device comprising a common converter for converting the first and second currents which is arranged in the common power line.
  • the generator can be ASM generators (asynchronous generators), which are already synchronized by their structure with the mains frequency.
  • the first and the second power line can therefore be connected together with a common converter, which is arranged, for example, in the central station.
  • the common power line or the common converter can in turn be connected to the central transformer or one of the central transformers.
  • the wind turbine comprises a plurality of wind turbines, of which a part of the wind turbines is each connected to a separate inverter and another part is connected to a common converter.
  • the converter device comprises a direct converter.
  • a direct converter may be a converter which directly generates an alternating current of different frequency from the phases of the alternating current from one or more of the generators without the intermediation of an intermediate circuit with direct voltage.
  • a direct converter may be, for example, a matrix converter. It is possible for the first and / or the second converter and / or also the common converter to be a direct converter.
  • the converter device comprises an indirect converter.
  • the indirect converter can be a converter which generates a direct current from the phases of the alternating current from the generators with a rectifier and in turn generates an alternating current of different frequency from this direct current with an inverter connected to the rectifier via an intermediate circuit.
  • the further power transmission network is designed to transmit direct current to the central station. This is possible, for example, if one or more inverters are arranged in the wind turbines and one of the central stations is arranged. However, it is also possible that the power network transmits direct current only in sections, for example when the distributor does not operate in the power transmission network between the wind turbines and the wind energy converter central station are arranged.
  • a DC transmitting power transmission network may have a star or daisy chain topology.
  • Advantage of a DC power transmission network may be that with a star topology no synchronization of power phases is necessary, but the lines can be easily connected.
  • Another advantage may be that only one potential-carrying line can be used, in contrast to multi-phase alternating current, where a separate line is usually present for each phase.
  • the converter device comprises a modular multi-level converter (MMLC).
  • MMLC modular multi-level converter
  • a modular multi-level converter (MMLC) also known as an M2LC converter / inverter / inverter, is an inverter with a large number of series-connected phase modules
  • Such an MMLC power converter can be used as an (active) rectifier, but also as an inverter, for example, the aforementioned rectifiers or inverters or also the first, the second converter or the common converter can use an MMLC converter.
  • An MMLC inverter may be a direct MMLC converter, for example an MMLC matrix converter or an indirect MMLC converter in which separate rectifiers and inverters exchange their energy via a direct current circuit electrical components of the power transmission device carried out, the Mains voltage of the power transmission device to process.
  • these electrical components include the switches, the wires and the inverters.
  • the inverters include high power switches, such as transistors or thyristors, which are designed to switch the mains voltage.
  • the Inverter further high performance electrical components, such as diodes and capacitors include, which are designed to process the mains voltage or to stand this.
  • a wind power plant may be an offshore wind turbine, that is to say at least a part of the wind turbines is arranged in the sea. According to one embodiment of the invention, the wind turbine has a power transmission device as described above and below.
  • Another aspect of the invention relates to a method of transmitting electrical power to a wind turbine in a power transmission network.
  • the method comprises the steps of: transmitting a first electrical current from the first generator to a central station of the wind turbine; Transmitting a second electrical current from the second generator to the central station; wherein there is no voltage transformation of the first and second electrical currents from a generator voltage to a transmission voltage in front of the central station.
  • Fig. 1 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 4 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 5 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a flow chart for a power transmission method according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 8 shows a circuit diagram for a converter according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows a circuit diagram for a converter according to an embodiment of the invention.
  • 10 shows a circuit diagram for a converter according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 1 shows a circuit diagram of an embodiment of a module for an MMLC converter.
  • Fig. 12 shows a circuit diagram of an embodiment of a module for an MMLC converter.
  • Fig. 13 shows an embodiment of an MMLC converter.
  • Fig. 14 shows a circuit diagram of an embodiment of a block for a matrix converter.
  • Fig. 15 shows a circuit diagram for an embodiment of a matrix converter.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of a wind power plant 10.
  • the wind power plant 10 comprises a central station 12 and wind turbines 14 arranged therefrom. Between the wind turbines 14 and the central station 12, a power transmission network 16 is arranged which comprises a plurality of power lines 18.
  • Each of the wind turbines 14 includes a generator 20, which is connected to a respective one of the power lines 18.
  • the generator 20 may be, for example, a synchronous motor or motor with permanent magnets that generate, for example, a current 13.8 kV AC voltage during operation. It is also possible for the generators 20 or wind turbines 14 to have series compensation.
  • a converter device 22 is arranged, which has a plurality of inverters 24, each of which is connected via one of the power lines 18 directly to one of the generators 20.
  • a plurality of switches 26 are arranged, which are connected to one of the inverter 24 and serve to separate the inverter 24 and the associated line 18 and the respective generator 20 from the central generator 28.
  • a central transformer 28 is located in the central station 12 and is connected via the switches 26 to the inverters 22. On its other side, the central transformer 28 is connected to a main supply line 30 of another second large-area transmission network 32.
  • each of the generators 20 are electrical alternating current with a voltage of, for example, 13.8 kV, which then passes over the lines 18 of the power transmission network 16 to the central station 12 wi rd.
  • the U m judge 24 direct the com coming from the generators AC to the mains frequency and the phase of the transmission network 32.
  • the transformer 28 transforms the 13.8 kV to, for example, 150 kV, which is used in the large-area transmission network 32.
  • each of the wind turbines 14 is individually connected to the central station 12, resulting in a star-shaped topology for the power transmission network 1 6.
  • the wind turbines 14 may be arranged in a star shape at substantially the same distance from the central station 12 around the central station.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 having a power transmission network 16 with a star-shaped topology. Unlike the wind turbine of FIG. 1, in the wind turbine of FIG. 10, each of the inverters 24 is disposed at the wind turbine 14. The wind power plant of FIG. 10 thus has a (decentralized) converter device 22 distributed over the entire wind turbine.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 having a power transmission network 16 with a star-shaped topology.
  • a generator 20 is arranged in each of the wind turbines 14.
  • the wind turbine 10 has an inverter device 22 with a common converter 34.
  • the common converter 34 can take on the task of carrying out a speed compensation for the generators in weak wind or of ensuring that the wind turbine 10 fulfills so-called "grid codes" specified by the grid operators However, these tasks can also take over the inverter 24 in the other embodiments.
  • the wind turbine 10 in the central station 12 still a central switch 36, with which the inverter 34 and the generators 20 can be separated from the network 32 and the central transformer 28 together.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a wind turbine 10 in a schematic form.
  • the wind turbine of Fig. 4 corresponds to the electrical circuit of the individual components of the wind turbine of Fig. 2, but the switches 26 are arranged in the wind turbine 14 and the electrical lines 18 are connected to a common line 38 a or a common line 38 b, the be merged at the central station 12.
  • the common lines 38a and 38b are connected to the central transformer 28 in the central station.
  • a local converter 24 in each of the wind turbines 14 it is also possible in the wind power plant of FIG. 4 to provide a central common converter 34 analogously to FIG.
  • the wind turbines 14 are daisy-chained via the lines 18 to one another on one of the common lines 38a, 38b, so that the current transmission network 16 of FIG a "daisy-chain topology.”
  • FIG. 5 shows schematically another embodiment of a wind turbine 10 with a power transmission network 16 with daisy-chain topology.
  • a switch 20 and a rectifier 40 are arranged in each of the Wind turbines 14 of the wind turbine 10 of FIG. 5.
  • the rectifier 40 can be separated from the respective generator 20.
  • Each of the rectifiers 40 serves to rectify a generator-derived alternating current of, for example, 13.8 kV into a 13.8 kV direct current.
  • the rectifier 40 may be a passive rectifier, such as a diode rectifier or an active rectifier, such as an MMLC converter.
  • the power transmission network of FIG. 5 transmits DC power to the central station 12.
  • the common lines 38a and 38b are connected to a common central inverter 42 which receives the direct current from the rectifiers 40 in an alternating current of the same voltage but with the power frequency of the large-scale transmission network 32 transforms.
  • a central switch 36 Via a central switch 36, the inverter 42, the transmission network 16, the rectifiers 40, the switches 26 and the generators 20 can be separated from the transformer 28 and the power transmission network 32.
  • the switch 36 serves to separate all electrical components of the wind turbine 10, which are upstream of the transformer 28, from this.
  • the wind turbines shown schematically in FIGS. 1 to 5 are to say that they are only exemplary embodiments of the fact that no voltage transformation takes place in front of the central station 12.
  • the power transmission network 16 illustrated in FIG. 5 could have a star-shaped topology, or the same as FIG. 1 to 3 provided power transmission networks 16 could be combined.
  • a plurality of wind turbines analogous to the wind turbine 10 of FIG. 3 could be interconnected with a further number of wind turbines analogous to FIGS. 1 and 2.
  • Another example would be to connect the voltage transmission network 16 shown in FIG. 4 to another star-shaped voltage transmission network 16 analogous to FIGS. 1 and 2 or 3. It would then be such that instead of the connection to the transformer 28, as well it is shown in Figs. 1 to 3, the corresponding connection point is connected to one of the common lines 38a or 38b.
  • FIG. 6 shows schematically and by way of example how a wind turbine 14, in particular that of an offshore installation, can be constructed.
  • the wind turbine 14 has a base 44 which may be anchored in such a system on the seabed.
  • a tower 46 is mounted, which may have several 100 m in height.
  • a nacelle 48 which is rotatable relative to the tower 46 and in which a generator 20 is arranged which is mechanically connected to a rotor 52.
  • the electrical energy generated by the generator 20 upon rotation of the rotor 52 is transmitted via the line 18 in the direction of the central station 12.
  • High-performance devices or electrical components 50 such as the switches 26, the rectifiers 40, the inverters 24, etc., are located in the door 48, in the door 46, or in the door sill 44.
  • FIG. 7 shows a flowchart for a transmission method of electrical energy from the wind turbines 14 into the large-area transmission network 32.
  • a step S10 electric power generated by a plurality of generators 20 by wind power is input to the transmission network 16.
  • the electrical energy can be transmitted via electrical lines 18, which form a power transmission network 16 with star-shaped or daisy-chain topology.
  • the electrical energy or the electric current from the generators 20 is not voltage-transformed in front of a central station 12, which is located as an interface between the first transmission network 16 and a second further large-area transmission network 32.
  • the electrical voltage in the entire transmission network 16 can be 13.8 kV.
  • the electric current can be redirected into power transmission network 16, that is to say the electrical current can also be converted or converted from an alternating voltage into direct voltage or into an alternating voltage of different frequency
  • an inverter device 22 may be located in the power network 16.
  • the conversion device 22 can be a plurality of local converters 24 in the wind turbines 14, a plurality of inverters 24 in the central station 12 or a common inverter 34 in the central station 12.
  • the converter device 22 it is also possible for the converter device 22 to comprise a combination of these converters.
  • the electric current originating from the generators 20 is converted to a frequency of the large-area transmission network 32, for example 50 or 60 Hz.
  • the inverter device 22 can include a plurality of local rectifiers in the wind turbines 14 and a central inverter 42 in the central station 12.
  • the transmission of the electrical energy from the wind turbines to the central station takes place in step S10 substantially in the entire power transmission network 16 in direct current.
  • the current transmitted by the power transmission network 16 is transformed by a central transformer 28 from the voltage in the transmission network 1 6 into the power transmission network 32, for example from 13.8 kV to 150 kV.
  • FIGS. 8 to 10 are circuit diagrams of various possible embodiments of the various inverters 24, 34 shown in FIGS. 1 to 6.
  • FIG. 8 shows a converter 24, 34, which has a rectifier 40 and an inverter 42.
  • the rectifier 40 is connected to the generator 20 and generates from the AC voltage of the generator 20 DC for a DC circuit 54, which can then be converted by the inverter 42 again in an AC voltage of different frequency, but the same voltage. Between the switch 26 and the AC or power converter 42, a throttle 56 is also arranged.
  • the inverter 24, 34 shown in FIG. 8 is an indirect converter because of the internal DC circuit 54.
  • the rectifier 40 may be a passive rectifier or an active rectifier. For example, it would be possible to use for the rectifier 40 and the inverter 42 each an MMLC power converter, as will be described below. A combination of a passive rectifier 40 with an MMLC inverter 42 is also possible.
  • FIG. 9 shows a further possibility for a converter 24 or 34, in which a 12-pole generator 20 is connected to two rectifiers 40 which each rectify a part of the phases of the generator 12.
  • the converter 24, 34 shown in FIG. 9 has in its DC voltage circuit 54 an inverter 42 which converts the current from both rectifiers 40 into AC voltage.
  • the rectifiers 40 and inverters 42 of FIG. 9 may be constructed the same as those of FIG. 8 (active / passive rectifiers, MMLC power converters, etc.).
  • FIG. 10 shows a further circuit diagram for a converter 24 or 34, which has a direct converter 56.
  • the direct converter 56 may also be an MMLC converter, as will be described below.
  • FIG. 1 to 13 show circuit diagrams for a so-called MMLC power converter, as it is also described in DE 101 03 031 A1.
  • the energy stores that is, the capacitors
  • the capacitors are distributed over a plurality of components, which can provide the advantage that the effective energy content of the power converter can be controlled.
  • FIG. 1 1 shows the circuit diagram of a first example of such a device 58.
  • the so-called half-bridge circuit 58 has two diodes 60 and two controllable semiconductor switches 62, which may be transistors 62 and thyristors 62, for example.
  • an energy store 64 is arranged in the form of a capacitor.
  • the module 58 also has two outputs X1, X2, via which the module 58 can be connected in series with further modules 58, as described below in FIG. 13.
  • FIG. 12 shows a second building block 58 'of an alternative embodiment of a half bridge 58'.
  • the block 58 'shown in FIG. 12 is essentially constructed like the block 58 from FIG. 11.
  • FIG. 13 there is shown a circuit diagram for an MMLC power converter 66 for one phase.
  • a phase of an alternating current is connected to the input L of the MMLC power converter 66.
  • the outputs and inputs P and N of the MMLC power converter 66 are connected to a DC circuit, for example the DC circuit 54 of FIGS. 8 and 9.
  • the power converter 66 still has a respective throttle 68.
  • the MMLC power converter 66 includes a plurality of series connected half bridges 58 or 58 '.
  • the output L is connected to the output P via a half-bridge 58, a half-bridge 58 'coupled to the half-bridge 58, and a choke 68 coupled thereto, and the output L is coupled to two half-bridges 58 coupled thereto and one coupled thereto Throttle 68 is connected to the output N.
  • each of the combinations 58, 58 or 58, 58 'or 58', 58 or 58 ', 58' is possible in both branches to the outputs P or L.
  • FIGS. 14 and 15 are circuit diagrams for a direct converter 70.
  • the principle of a matrix converter is described, for example, in US Pat. No. 6,900,998 B2.
  • FIG. 14 shows a circuit diagram for a module 72, a so-called full bridge circuit 72 or full bridge 72.
  • the full bridge 72 comprises four diodes 60 and four switches 62, for example transistors 62 or thyristors 62 and an energy store in the form of a capacitor 64
  • Full bridge 72 is essentially a combination of two half-bridges 58 or 58 'from FIGS. 11 or 12.
  • FIG. 15 shows a circuit diagram for an MMLC matrix converter 70, which has three phases L1, L2, L3 of a first alternating current in three phases L1 ', L2', L3 'of a second alternating current with a second frequency which may differ from the first frequency of the first alternating current.
  • L1 ', L2', L3 'of a second alternating current with a second frequency which may differ from the first frequency of the first alternating current.
  • the matrix converter 70 has the full bridges 72, which are connected via their inputs or outputs X1 and X2 to a phase of the first alternating current and to another phase of the second alternating current. As shown in the upper left corner of the matrix, several of the half bridges 72 may also be connected in series via their outputs X1 and X2, with the ends of the series connected respectively to one phase of the first current and another phase of the second current are. In this way, a direct MMLC inverter 70 is created.
  • such a matrix converter 70 will generally have an equal number of half-bridge modules 72 at each cross-section.
  • a throttle 68 is provided at at least one end of the inverter modules 72 at the connection point to the phase of the first alternating current.
  • the diodes 60, switches 62, capacitors 64 and chokes 68 are used in converters which supply electric currents of voltages up to, for example, 13 , 8 kV and several 100 A.

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Abstract

For a wind power plant (10), current originating directly from generators (20) of the wind turbines (14) is transmitted to a central station (12) without a transformer being connected therebetween.

Description

STROMÜBERTRAGUNGSVORRICHTUNG FÜR EINE  POWER TRANSFER DEVICE FOR ONE
WIND KRAFTANLAGE  WIND POWER PLANT
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Stromerzeugung aus Wind. Insbesondere betrifft die Erfi nd u ng ei ne Strom ü bertragu ngsvorrichtu ng fü r ei n e Win d kraftan lage, ei ne Windkraftanlage, insbesondere Offshore-Anlage, die Verwendung der Stromübertragungsvorrichtung in der Windkraftanlage und ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie einer Windkraftanlage in ein beispielsweise großräumiges Übertragungsnetzwerk. The invention relates to the field of power generation from wind. In particular, the invention relates to an electric power transmission device for a wind power plant, a wind turbine, in particular an offshore wind turbine, the use of the power transmission device in the wind turbine, and a method for transmitting electrical power to a wind turbine For example, a large-scale transmission network.
Stand der Technik State of the art
Windkraftanlagen, wie etwa sogenannte Windparks, dienen zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Windkraft. Diese Anlagen nehmen immer mehr an Bedeutung zu, da sie ihre Energie im Gegensatz zu den meisten konventionellen Kraftwerken aus einer erneuerbaren Energiequelle gewinnen. Großtechnische Windkraftanlagen, die dazu verwendet werden , elektrische Energie für das flächendeckende Stromnetzwerk zu erzeugen, weisen in der Regel eine Mehrzahl von Windturbinen auf. Diese Windturbinen sind meist großflächig verteilt und können mehrere 100 m oder aber bis zu mehreren Kilometern voneinander entfernt sein. Häufig werden die Windturbinen im Meer errichtet, eine derartige Windkraftanlage wird daher auch Offshore-Anlage genannt. Normalerweise kann eine Windturbine einen Turm umfassen, auf dem sich eine Gondel befindet, die mit einem Generator und einem an der Welle des Generators befestigten Rotor ausgestattet ist. Der Generator ist dazu ausgeführt, mechanische Energie, die vom Rotor stammt, dessen Rotorblätter von Wind angetrieben werden, in elektrische Energie umzuwandeln. Wind turbines, such as so-called wind farms, serve to generate electrical energy from wind power. These plants are becoming increasingly important as they generate their energy from a renewable energy source, unlike most conventional power plants. Large-scale wind turbines, which are used to generate electrical energy for the nationwide power grid, typically have a plurality of wind turbines. These wind turbines are usually distributed over a large area and can be several 100 m or up to several kilometers apart. Frequently, the wind turbines are built in the sea, such a wind turbine is therefore also called offshore facility. Usually For example, a wind turbine may include a tower on which there is a nacelle equipped with a generator and a rotor attached to the shaft of the generator. The generator is designed to convert mechanical energy from the rotor, whose rotor blades are driven by wind, into electrical energy.
Die Windturbine umfasst weiter einen Transformator, der den vom Generator erzeugten elektrischen Strom auf die Spannung eines ersten Stromübertragungsnetzwerks transformiert, das die elektrische Energie von den einzelnen Windturbinen zu einem zentralen Punkt bzw. einer zentralen Station überträgt, bei dem die elektrische Energie der Windturbinen dann auf die Netzspannung eines weiteren zweiten großräumigen Übertragungsnetzwerkes transformiert wird, das die elektrische Energie zu den Verbrauchern überträgt. The wind turbine further includes a transformer that transforms the electrical power generated by the generator to the voltage of a first power transmission network that transmits electrical energy from the individual wind turbines to a central point or central station where the electrical energy of the wind turbines then travel the mains voltage of another second large-scale transmission network is transformed, which transmits the electrical energy to the consumers.
Diese Anordnung hatte den Nachteil, dass jede Windturbine einen Transformator aufweist. Dies macht die einzelnen Windturbinen nicht nur teuer, sondern führt auch dazu, wenn eine dieser Komponenten ausfällt oder fehlerhaft arbeitet, dass ein Wartungstechniker im schlimmsten Fall in die Gondel eines teilweise mehrere 100 m hohen Turms im Meer einsteigen muss und eventuell auch Ersatzteile dorthin transportiert werden müssen, was zu einem erheblichen Wartungswand und Wartungskosten führen kann. This arrangement had the disadvantage that each wind turbine has a transformer. This not only makes the individual wind turbines expensive, but also leads, if one of these components fails or works incorrectly, that a maintenance technician in the worst case in the gondola of a tower several hundred meters high in the sea and possibly even spare parts are transported there which can lead to a considerable maintenance and maintenance costs.
Darstellung der Erfindung Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Beschaffungs- und Wartungskosten für eine Windkraftanlage zu vermindern. DESCRIPTION OF THE INVENTION It is the object of the invention to reduce the procurement and maintenance costs for a wind power plant.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. This object is solved by the subject matter of the independent claims. Further embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Windkraftanlage. A first aspect of the invention is a wind turbine.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Windkraftanlage wenigstens eine erste Windturbine mit einem ersten Generator und eine zweite Windturbine mit einem zweiten Generator. Es ist zu verstehen, dass die Windkraftanlage nicht nur zwei Windturbinen, sondern eine große Anzahl von Windturbinen bzw. eine Mehrzahl von Windturbinen umfassen kann, die jeweils wenigstens einen Generator aufweisen können. Wie bereits gesagt, können die einzelnen Windturbinen einen Turm umfassen, der mehrere 100 m hoch sein kann und können wiederum voneinander bis zu mehreren Kilometern voneinander und von einer zentralen Station der Windkraftanlage entfernt angeordnet sein. According to one embodiment of the invention, the wind turbine comprises at least a first wind turbine with a first generator and a second wind turbine with a second generator. It should be understood that the wind turbine may include not only two wind turbines but a large number of wind turbines, or a plurality of wind turbines, each having at least one generator. As already stated, the individual wind turbines may comprise a tower which may be several hundred meters high and may in turn be spaced from one another up to several kilometers apart and from a central station of the wind turbine.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Windkraftanlage eine Stromübertragungsvorrichtung mit einem Stromübertragungsnetzwerk zum Übertragen eines elektrischen Stroms vom ersten Generator zu einer zentralen Station der Windkraftanlage und eines zweiten elektrischen Stroms vom zweiten Generator zu der zentralen Station . Mit anderen Worten ist die Mehrzahl von Windturbinen über das Stromübertragungsnetzwerk mit der zentralen Station und somit auch die Generatoren über das Stromübertragungsnetzwerk mit der zentralen Station verbunden. Das Stromübertragungsnetzwerk kann also Stromleitungen umfassen, die von einigen hundert Metern bis zu mehreren Kilometern lang sein können. According to one embodiment of the invention, the wind turbine comprises a power transmission device having a power transmission network for transmitting an electric power from the first generator to a central station of the wind turbine and a second electric power from the second generator to the central station. In other words, the plurality of wind turbines are connected to the central station via the power transmission network and thus also the generators are connected to the central station via the power transmission network. The power transmission network can thus include power lines that can be from a few hundred meters to several kilometers long.
Grundsätzlich kann das Stromübertragungsnetzwerk eine erste Stromleitung für den ersten Strom vom ersten Generator und eine zweite Stromleitung für den zweiten Strom vo m zwe ite n G e n e rato r u mfa sse n , d i e vor od e r be i d e r zen tra l en Stati o n zusammengeführt werden können. Dabei ist vorstellbar, dass das Stromübertragungsnetzwerk beispielsweise eine sternförmige Topologie aufweist, bei der die einzelnen Stromleitungen von den Windturbinen bzw. Generatoren erst bei der zentralen Station zusammengeführt werden, oder aber auch, dass die Stromleitungen von den Windturbinen bzw. von den Generatoren an eine oder mehrere Sammelleitungen angeschlossen sind. Die Anordnung mit einer oder mehreren Sammelleitungen wird teilweise auch „Daisy-Chain" -Topologie genannt. Mehrere Sammelleitungen können wiederum vor oder bei der zentralen Station zusammengeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass lediglich eine einzige Sammelleitung vorhanden ist. In principle, the power transmission network may include a first power line for the first power from the first generator and a second power line for the second power from the second power rato ns, which may be merged before or at the second power station , It is conceivable that the power transmission network has, for example, a star-shaped topology, in which the individual power lines are brought together by the wind turbines or generators only at the central station, or even that the power lines from the wind turbines or from the generators to one or several manifolds are connected. The arrangement with one or more busbars is sometimes referred to as "daisy-chain" topology, and multiple busbars may be merged in front of or at the central station, but it is also possible that only a single bus is present.
Das Stromübertragungsnetzwerk bzw. die Stromleitungen sind in der Regel zur Übertragung von mehrphasigem Wechselstrom oder Gleichstrom ausgelegt und können mehrere Einzelleiter aufweisen. Beispielsweise ist das Stromübertragungsnetzwerk bzw. die Stromleitungen zum Übertragen von Drehstrom, beispielsweise dreiphasigem Strom, oder aber auch von mehrphasigem Strom ausgeführt. Normalerweise weist eine Stromleitung zum Übertragen von dreiphasigem Drehstrom vier Einzelleiter auf. The power transmission network and the power lines are usually designed for the transmission of multiphase AC or DC and can have multiple individual conductors. For example, the power transmission network or the power lines for transmitting three-phase current, for example three-phase current, or else carried out by multi-phase current. Normally, a power line for transmitting three-phase three-phase current has four individual conductors.
Die zentrale Station, die in der Regel ein Gebäude oder eine Plattform sein kann, das oder die entweder an Land, oder im Falle einer Offshore-Anlage auch auf dem Meer angeordnet sein kann, kann zum Verbinden der Windkraftanlage mit einem großräumigen weiteren (zweiten) Stromübertragungsnetzwerk dienen. Dabei ist die zentrale Station die Schnittstelle zwischen dem (ersten) Stromübertragungsnetzwerk von den Windturbinen zu dem (zweiten) großräumigen Übertragungsnetzwerk, das wiederum die elektrische Energie über viele 1000 km transportieren kann und das beispielsweise die Überlandleitung eines Stromanbieters umfasst. Die zentrale Station kann von jeder der Windturbinen wenigstens mehrere 100m, aber auch mehrere km entfernt angeordnet sein,  The central station, which may normally be a building or a platform, which may be located either on land or, in the case of an offshore installation, also on the sea, may be used to connect the wind turbine to a large (another) Power transmission network serve. In this case, the central station is the interface between the (first) power transmission network from the wind turbines to the (second) large-scale transmission network, which in turn can transport the electrical energy over many 1000 km and includes, for example, the transmission line of an electricity supplier. The central station may be located at least several 100 meters from each of the wind turbines, but also several kilometers away,
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt im Stromübertragungsnetzwerk zum Übertragen des elektrischen Stroms von den Generatoren zur zentralen Station keine Spannungstransformation des ersten und des zweiten elektrischen Stroms von einer Generatorspannung auf eine Übertragungsspannung vor der zentralen Station. Mit anderen Worten wird bei einer Windkraftanlage direkt von Generatoren der Windturbinen stammender Strom ohne Zwischenschaltung eines Transformators zur zentralen Station geleitet. Es ist zu verstehen, dass das (erste) Stromübertragungsnetzwerk weitere elektrische Komponenten wie Umrichter und Schalter umfassen kann. Allerdings ist es möglich, dass das Stromübertragungsnetzwerk keinen Transformator vor der zentralen Station umfasst. Beispielsweise ist lediglich ein zentraler Transformator in der zentralen Station angeordnet. Alternativ ist auch möglich, dass mehrere zentrale Transformatoren in der zentralen Station angeordnet sind, beispielsweise für jede Windturbine einer. According to one embodiment of the invention, in the power transmission network for transmitting the electrical power from the generators to the central station, there is no voltage transformation of the first and second electrical currents from a generator voltage to a transmission voltage in front of the central station. In other words, in a wind turbine directly from wind turbine generators power is passed without the interposition of a transformer to the central station. It should be understood that the (first) power transmission network may include other electrical components such as inverters and switches. However, it is possible that the power transmission network does not include a transformer in front of the central station. For example, only a central transformer is arranged in the central station. Alternatively, it is also possible that a plurality of central transformers are arranged in the central station, for example for each wind turbine one.
Umfasst das Stromübertragungsnetzwerk noch weitere elektrische Komponenten wie beispielsweise einen Umrichter oder eine Mehrzahl von Umrichtern oder Schaltern, ist es möglich, dass das Stromübertragungsnetzwerk keinen Transformator zwischen diesen weiteren elektrischen Komponenten und der Windturbine umfasst. Der Transformator kann erst nach diesen elektrischen Komponenten angeordnet sein. If the power transmission network includes other electrical components, such as an inverter or a plurality of inverters or switches, it is possible that the power transmission network does not include a transformer between these further electrical components and the wind turbine. The transformer can be arranged only after these electrical components.
Da im Stromübertragungsnetzwerk vor der zentralen Station keine Spannungstransformation erfolgt, wird der elektrische Strom mit der von den Windturbinen erzeugten Spannung von den Windturbinen zur zentralen Station geleitet, also mit der Spannung die von den Generatoren der Windturbinen erzeugt wird. Dabei ist es möglich, dass das Stromübertragungsnetzwerk Wechselstrom oder Gleichstrom einer ersten Spannung von beispielsweise 13,8 kV überträgt. Eine derartige Anordnung der Komponenten des Übertragungsnetzwerks kann dadurch ermöglicht werden, dass Hochleistungshalbleiterbaugruppen bezüglich Leistung und Spannung skaliert werden, wobei dies kostengünstig und relativ wartungsarm realisiert werden kann. Dadurch können Generatoren für die Windturbinen verwendet werden, die eine höhere Spannung liefern, die nun auch direkt ohne Spannungstransformation von elektrischen Komponenten des Übertragungsnetzwerks, wie zum Beispiel Umrichter, verarbeitet werden kann. Since there is no voltage transformation in the power transmission network in front of the central station, the electric power is conducted from the wind turbines to the central station with the voltage generated by the wind turbines. So with the voltage generated by the generators of the wind turbines. In this case, it is possible for the power transmission network to transmit alternating current or direct current to a first voltage of, for example, 13.8 kV. Such an arrangement of the components of the transmission network can be made possible in that high-power semiconductor modules are scaled in terms of power and voltage, which can be realized inexpensively and relatively low maintenance. As a result, it is possible to use generators for the wind turbines which supply a higher voltage, which can now also be processed directly without voltage transformation by electrical components of the transmission network, such as converters.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stromübertragungsvorrichtung einen zentralen Transformator, der dazu ausgeführt ist, den ersten und den zweiten Strom auf eine Netzspannung eines weiteren (zweiten) Stromübertragungsnetzwerks zu transformieren. Mit anderen Worten führt der zentrale Transformator eine Spannungstransformation von der ersten Spannung (das heißt der Generatorspannung bzw. der Netzspannung des ersten Übertragungsnetzwerks) zu einer zweiten Spannung (das heißt der Netzspannung des großräumigen zweiten Stromübertragungsnetzwerks) durch. Beispielsweise kann diese Spannungstransformation eine Transformation von 13,8 KV auf 150 kV sein. According to one embodiment of the invention, the power transmission device comprises a central transformer, which is designed to transform the first and the second current to a network voltage of a further (second) power transmission network. In other words, the central transformer performs a voltage transformation from the first voltage (that is, the generator voltage of the first transmission network) to a second voltage (that is, the mains voltage of the large-area second power transmission network). For example, this voltage transformation can be a transformation from 13.8 KV to 150 kV.
Bei der oben genannten sternförmigen Topologie des (ersten) Stromübertragungsnetzwerks können die erste und die zweite Stromleitung von dem ersten bzw. dem ersten Generator gemeinsam mit dem Transformator verbunden sein, das heißt, dass der zentrale Transformator für die beiden Generatoren bzw. die Mehrzahl von Generatoren, aber auch für alle Generatoren der Windkraftanlage zur S pa n n u n gstran sform ation verwend et werden . Au ch ist es m ög l i ch , d ass der Transformator bei der oben genannten „Daisy-Chain"-Anordnung bzw. -Topologie mit einer der Sammelleitungen oder auch mit allen Sammelleitungen verbunden ist. Damit ist es möglich, dass die gesamte Windkraftanlage lediglich einen zentralen Transformator, der für die Spannungstransformation aller Windturbinen zuständig ist, umfasst. In the above-mentioned star-shaped topology of the (first) power transmission network, the first and second power lines of the first and the first generator may be commonly connected to the transformer, that is, the central transformer for the two generators or the plurality of generators , but can also be used for all generators of the wind power plant for planting. It is also possible that the transformer in the above-mentioned "daisy-chain" arrangement or topology is connected to one of the manifolds or also to all busbars, so that it is possible that the entire wind turbine only a central transformer, which is responsible for the voltage transformation of all wind turbines includes.
Gemäß einer Ausführungsform ist der zentrale Transformator in der zentralen Station angeordnet oder einer zentral liegenden Windkraftanlage oder -turbine zugeordnet. Eine Windturbine kann auch die zentrale Station umfassen. Ein Auf diese Weise kann der Transformator besonders einfach installiert und gewartet werden. According to one embodiment, the central transformer is arranged in the central station or associated with a centrally located wind turbine or turbine. A Wind turbine can also include the central station. In this way, the transformer can be easily installed and maintained.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stromübertragungsvorrichtung bzw. das Stromübertragungsnetzwerk weitere elektrische Komponenten wie beispielsweise eine Umrichtvorrichtung oder aber auch Schalter zum Trennen der Windturbinen bzw. deren Generatoren und/oder der daran angeschlossenen Stromleitungen von der Windkraftanlage. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Umrichtvorrichtung dazu ausgeführt, den ersten Strom auf eine Netzfrequenz des Stromübertragungsnetzwerks umzurichten und dazu ausgeführt, den zweiten Strom auf die Netzfrequenz des Stromübertragungsnetzwerks umzurichten. Mit anderen Worten ist es möglich, dass sich die Frequenz des elektrischen Stroms in dem Stromübertragungsnetzwerk bzw. der Stromübertragungsvorrichtung ändert, aber nicht die Spannung des Stroms. Umrichten kann dabei das Ändern der Frequenz eines Wechselstroms sein, kann aber auch das Transformieren eines Gleichstroms in einen Wechselstrom oder eines Gleichstroms in Wechselstrom sein. Es ist möglich, dass die Netzfrequenz des (ersten) Stromübertragungsnetzwerks auch die Netzfrequenz des (zweiten) weiteren großräumigen Stromübertragungsnetzwerks ist, beispielsweise 50 oder 60 Hz. According to one embodiment of the invention, the power transmission device or the power transmission network comprises further electrical components such as a Umrichtvorrichtung or switch for disconnecting the wind turbines or their generators and / or connected thereto power lines from the wind turbine. According to one embodiment of the invention, the converter device is designed to convert the first current to a mains frequency of the power transmission network and to convert the second current to the network frequency of the power transmission network. In other words, it is possible that the frequency of the electric current in the power transmission network or the power transmission device changes, but not the voltage of the current. Inverting may be changing the frequency of an alternating current, but may also be transforming a direct current into an alternating current or a direct current into alternating current. It is possible that the line frequency of the (first) power transmission network is also the line frequency of the (second) further large-scale power transmission network, for example 50 or 60 Hz.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Umrichtvorrichtung in der zentralen Station der Windkraftanlage oder bei einer zentral gelegenen Windkraftanlage oder - turbine angeordnet. Mit anderen Worten kann die Umrichtvorrichtung eine zentrale Umrichtvorrichtung sein. Insgesamt ist es damit möglich, einerseits die Transformatoren oder auch nur lediglich einen zentralen Transformator sowie eine zentrale Umrichtvorrichtung in der zentralen Station der Windkraftanlage anzuordnen. Insgesamt können also lokal angeordnete Transformationen bei den Windturbinen und auch lokal angeordnete Umrichter bei den Windturbinen entfallen, was einerseits die Beschaffungskosten für die gesamte Windkraftanlage vermindert, aber auch dazu beitragen kann, die Wartungskosten zu senken. According to one embodiment of the invention, the converter device is arranged in the central station of the wind power plant or in a centrally located wind turbine or turbine. In other words, the converter device can be a central converter device. Overall, it is thus possible, on the one hand to arrange the transformers or even just a central transformer and a central Umrichtvorrichtung in the central station of the wind turbine. Overall, therefore, locally arranged transformations in the wind turbines and locally arranged inverter can be omitted in the wind turbines, which on the one hand reduces the procurement costs for the entire wind turbine, but also can help to reduce maintenance costs.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Umrichtvorrichtung einen ersten Umrichter zum Umrichten des ersten Stroms und einen zweiten Umrichter zum Umrichten des zweiten Stroms umfassen. Der erste Umrichter und der zweite Umrichter können dabei zwei getrennt voneinander arbeitende Vorrichtungen sein, die sowohl elektrisch als auch räumlich voneinander getrennt arbeiten können. Beispielsweise kann der erste Umrichter in der ersten Stromleitung vom ersten Generator und der zweiten Umrichter in der zweiten Stromleitung vom zweiten Generator angeordnet sein. Darüber hinaus können die beiden Umrichter gemeinsam mit dem zentralen Transformator verbunden sein. According to one embodiment of the invention, the converter device can have a first converter for converting the first current and a second converter for converting of the second stream. The first inverter and the second converter can be two separate devices that can operate both electrically and spatially separated from each other. For example, the first converter may be arranged in the first power line from the first generator and the second converter in the second power line from the second generator. In addition, the two inverters can be connected together with the central transformer.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Umrichter in der ersten Windturbine angeordnet. Es kann auch möglich sein, dass der zweite Umrichter in der zweiten Windturbine angeordnet ist. Sind die beiden Umrichter jeweils in den ihnen zugeordneten Windturbinen angeordnet, kann es möglich werden, dass die erste und die zweite Stromleitung bereits vor der zentralen Station zusammengeführt bzw. miteinander verbunden sind, da es möglich ist, dass der elektrische Strom an dieser Stelle bereits auf die richtige Frequenz und auch die richtige Phase umgerichtet wurde. According to one embodiment of the invention, the first converter is arranged in the first wind turbine. It may also be possible that the second converter is arranged in the second wind turbine. If the two converters are each arranged in the wind turbines assigned to them, it may be possible for the first and the second power line to be brought together or connected to one another before the central station, since it is possible for the electric current to already be present at this point the right frequency and also the right phase has been redirected.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Umrichter in der zentralen Station angeordnet. Es kann auch möglich sein, dass der zweite Umrichter in der zentralen Station angeordnet ist. Sind die beiden Umrichter in der zentralen Station angeordnet, verlaufen Stromleitungen von den einzelnen Windturbinen bis zur zentralen Station und es ist möglich, dass die oben genannte sternförmige Topologie für das Übertragungsnetzwerk entsteht. According to one embodiment of the invention, the first inverter is arranged in the central station. It may also be possible for the second converter to be arranged in the central station. If the two inverters are arranged in the central station, power lines run from the individual wind turbines to the central station and it is possible that the above-mentioned star-shaped topology for the transmission network arises.
Insgesamt ist es möglich, dass die Umrichter entweder am Anfang der Stromleitungen, das heißt beim jeweiligen Generator bzw. in der Windturbine, oder aber auch am Ende der Stromleitungen, das heißt bei der zentralen Station oder in der zentralen Station angeordnet sind. Dabei ist aber auch möglich, dass bei einem Teil der Windturbinen der Umrichter bei der Windturbine angeordnet ist, beispielsweise bei den Windturbinen, die relativ nahe bei der zentralen Station angeordnet sind, aber auch bei einem anderen Teil der Windturbinen der zugehörige Umrichter in der Nähe oder in der zentralen Station angeordnet ist. Overall, it is possible that the inverter either at the beginning of the power lines, that is, the respective generator or in the wind turbine, or even at the end of the power lines, that are located at the central station or in the central station. But it is also possible that is arranged at a part of the wind turbine, the inverter at the wind turbine, for example in the wind turbines, which are relatively close to the central station, but also in another part of the wind turbines, the associated inverter near or is located in the central station.
Die Windkraftanlage kann neben dem bisher beschriebenen Stromübertragungsnetzwerk wenigstens ein weiteres Stromübertragungsnetzwerk umfassen, das nicht die bisher beschriebene sternförmige Topologie aufweist. Dieses weitere Übertragungsnetzwerk kann ein Gleichspannungsübertragungsnetzwerk sein und kann weitere Umrichter umfassen, die Bestandteil der Umrichtvorrichtung sind. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Umrichtvorrichtung einen ersten Gleichrichter zum Gleichrichten des ersten Stroms in einen ersten Gleichstrom und die einen zweiten Gleichrichter zum Gleichrichten des zweiten Stroms in einen zweiten Gleichstrom, wobei die Umrichtvorrichtung einen Stromrichter zum Erzeugen eines Wechselstroms aus dem ersten und zweiten Gleichstrom umfasst. Mit anderen Worten ist es möglich, dass die Umrichtvorrichtung ein indirekter Umrichter ist, der mehrere Gleichrichter, aber lediglich einen zugeordneten Stromrichter bzw. Wechselrichter umfasst. Dabei kann ein Gleichrichter eine Vorrichtung sein, die einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt und ein Stromrichter bzw. Wechselrichter wiederum eine Vorrichtung, die einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umformt. The wind turbine may, in addition to the power transmission network described so far, include at least one further power transmission network, which is not the previously has described star-shaped topology. This further transmission network may be a DC transmission network and may include other inverters that are part of the Umrichtvorrichtung. According to one embodiment of the invention, the converter device comprises a first rectifier for rectifying the first current into a first direct current and the second rectifier for rectifying the second current into a second direct current, the converter device comprising a converter for generating an alternating current from the first and second direct current includes. In other words, it is possible that the conversion device is an indirect converter, which comprises a plurality of rectifiers, but only one associated power converter or inverter. In this case, a rectifier may be a device that converts an alternating current into a direct current and a converter or inverter in turn a device that converts a direct current into an alternating current.
Die Gleichrichter können dabei aktive bzw. passive Gleichrichter sein. Dabei kann ein aktiver Gleichrichter ein Gleichrichter sein, dessen Funktion beispielsweise über Halbleiterschalter, wie beispielsweise Transistoren oder Thyristoren gesteuert werden kann. Unter einem passiven Gleichrichter kann beispielsweise ein Diodengleichrichter verstanden werden. Ein solcher passiver Gleichrichter kann beispielsweise auch mit passiven Fillter- und Kompensationsnetzwerken kombiniert sein, insbesondere mit Kondensatoren, in Serie- oder Shuntschaltung (Nebenschlussschaltung). The rectifiers can be active or passive rectifiers. In this case, an active rectifier may be a rectifier whose function can be controlled, for example, via semiconductor switches, such as transistors or thyristors. By a passive rectifier, for example, a diode rectifier can be understood. Such a passive rectifier can also be combined, for example, with passive fill and compensation networks, in particular with capacitors, in series or shunt circuit (shunt circuit).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Gleichrichter in einer ersten Windturbine und der zweite Gleichrichter in einer zweiten Windturbine angeordnet. Das heißt der erste Gleichrichter ist am Anfang einer ersten Stromleitung und der zweite Gleichrichter am Anfang einer zweiten Stromleitung angeordnet. Somit kann es möglich sein, dass über das Stromübertragungsnetzwerk Gleichstrom übertragen wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der mit den beiden Gleichrichtern verbundene Stromrichter als zentraler Stromrichter in der zentralen Station angeordnet sein. Insgesamt ist es also möglich, dass das (erste) Stromübertragungsnetzwerk auch ein Stromübertragungsnetzwerk ist, das einen Hochspannungsgleichstrom überträgt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das weiter Übertragungsnetzwerk eine gemeinsame Stromleitung bzw. Sammelleitung zum Übertragen eines ersten und eines zweiten Stroms mit der ein erster Generator und ein zweiter Generator verbunden sind, wobei die Umrichtvorrichtung einen gemeinsamen Umrichter zum Umrichten des ersten und des zweiten Stroms umfasst, der in der gemeinsamen Stromleitung angeordnet. Beispielsweise können die Generator ASM-Generatoren (Asynchron- Generatoren) sein, die durch ihren Aufbau bereits mit der Netzfrequenz synchronisiert sind. Die erste und die zweite Stromleitung können also gemeinsam mit einem gemeinsamen Umrichter, der beispielsweise in der zentralen Station angeordnet ist, verbunden sein. Somit ist es möglich, lediglich einen Umrichter für zwei bzw. eine Mehrzahl von Generatoren vorzusehen. According to one embodiment of the invention, the first rectifier is arranged in a first wind turbine and the second rectifier in a second wind turbine. That is, the first rectifier is arranged at the beginning of a first power line and the second rectifier at the beginning of a second power line. Thus, it may be possible for direct current to be transmitted through the power transmission network. According to one embodiment of the invention, the converter connected to the two rectifiers can be arranged as a central power converter in the central station. Overall, it is therefore possible that the (first) power transmission network is also a power transmission network that transmits a high-voltage direct current. According to an embodiment of the invention, the wide transmission network comprises a common power line for transmitting a first and a second current to which a first generator and a second generator are connected, the converter device comprising a common converter for converting the first and second currents which is arranged in the common power line. For example, the generator can be ASM generators (asynchronous generators), which are already synchronized by their structure with the mains frequency. The first and the second power line can therefore be connected together with a common converter, which is arranged, for example, in the central station. Thus, it is possible to provide only one inverter for two or a plurality of generators.
Die gemeinsame Stromleitung bzw. der gemeinsame Umrichter kann wiederum mit dem zentralen Transformator oder einem der zentralen Transformatoren verbunden sein. The common power line or the common converter can in turn be connected to the central transformer or one of the central transformers.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Windkraftanlage eine Mehrzahl von Windturbinen, von denen ein Teil der Windturbinen jeweils mit einem separaten Umrichter verbunden ist und ein anderer Teil mit einem gemeinsamen Umrichter verbunden ist. According to one embodiment of the invention, the wind turbine comprises a plurality of wind turbines, of which a part of the wind turbines is each connected to a separate inverter and another part is connected to a common converter.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Umrichtvorrichtung einen direkten Umrichter. Ein direkter Umrichter kann ein Umrichter sein, der aus den Phasen des Wechselstroms von einem oder mehreren der Generatoren direkt einen Wechselstrom unterschiedlicher Frequenz erzeugt, ohne dass ein Zwischenstromkreis mit Gleichspannung zwischengeschaltet ist. Ein direkter Umrichter kann zum Beispiel ein Matrixumrichter sein. Es ist möglich, dass der erste und/oder der zweite Umrichter und/oder aber auch der gemeinsame Umrichter ein direkter Umrichter sind. According to one embodiment of the invention, the converter device comprises a direct converter. A direct converter may be a converter which directly generates an alternating current of different frequency from the phases of the alternating current from one or more of the generators without the intermediation of an intermediate circuit with direct voltage. A direct converter may be, for example, a matrix converter. It is possible for the first and / or the second converter and / or also the common converter to be a direct converter.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Umrichtvorrichtung einen indirekten Umrichter. Der indirekte Umrichter kann dabei ein Umrichter sein, der aus den Phasen des Wechselstroms von den Generatoren mit einem Gleichrichter einen Gleichstrom erzeugt und aus diesem Gleichstrom mit einem über einen Zwischenstromkreis mit dem Gleichrichter verbundenen Wechselrichter wiederum einen Wechselstrom unterschiedlicher Frequenz erzeugt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Stromübertragungsnetzwerk dazu ausgeführt, Gleichstrom zur zentralen Station zu übertragen. Dies ist beispielsweise möglich, wenn in den Windturbinen Gleichrichter und ein der zentralen Station ein oder mehrere Wechselrichter angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass das Stromnetzwerk nur abschnittsweise Gleichstrom überträgt, beispielsweise wenn die G l ei ch richter n icht i n d er Wi n dtu rbi n e son d ern bei d er Wi ndtu rbi n e od er i m Stromübertragungsnetzwerk zwischen den Windturbinen und der zentralen Station angeordnet sind. Ein Gleichstrom übertragendes Stromübertragungsnetzwerk kann eine Stern- oder eine Daisy-Chain-Topologie aufweisen. Vorteil eines Stromübertragungsnetzwerk mit Gleichstrom kann sein, dass bei einer Stern-Topologie keine Synchronisation von Stromphasen notwendig ist, sondern die Leitungen einfach verbunden werden können. Ein weiterer Vorteil kann sein, dass lediglich eine Potential aufweisende Leitung verwendet werden kann, im Gegensatz zu Mehrphasen- Wechselstrom bei dem in der Regel für jede Phase eine eigene Leitung vorhanden ist. According to one embodiment of the invention, the converter device comprises an indirect converter. The indirect converter can be a converter which generates a direct current from the phases of the alternating current from the generators with a rectifier and in turn generates an alternating current of different frequency from this direct current with an inverter connected to the rectifier via an intermediate circuit. According to one embodiment of the invention, the further power transmission network is designed to transmit direct current to the central station. This is possible, for example, if one or more inverters are arranged in the wind turbines and one of the central stations is arranged. However, it is also possible that the power network transmits direct current only in sections, for example when the distributor does not operate in the power transmission network between the wind turbines and the wind energy converter central station are arranged. A DC transmitting power transmission network may have a star or daisy chain topology. Advantage of a DC power transmission network may be that with a star topology no synchronization of power phases is necessary, but the lines can be easily connected. Another advantage may be that only one potential-carrying line can be used, in contrast to multi-phase alternating current, where a separate line is usually present for each phase.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Umrichtvorrichtung einen modularen Multiniveau-Umrichter (MMLC). Ein modularer Multiniveau-Umrichter bzw. „modular multi-level Converter" (MMLC), der auch M2LC- Konverter/-Stromrichter/- Umrichter genannt wird, ist ein Umrichter mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Phasenbausteinen. Jeder der Phasenbausteine kann dabei einen eigenen Kondensator zum Speichern von Energie umfassen. Ein derartiger MMLC-Stromrichter kann als (aktiver) Gleichrichter aber auch als Wechselrichter verwendet werden. Beispielsweise können die oben genannten Gleichrichter bzw. Wechselrichter oder auch der erste, der zweite Umrichter oder der gemeinsame Umrichter einen MMLC-Stromrichter umfassen. Ein MMLC-Umrichter kann ein direkter MMLC-Umrichter, beispielsweise ein MMLC- Matrix-Umrichter oder ein indirekter MMLC-Umrichter, bei dem getrennte Gleichrichter und Wechselrichter ihre Energie über einen Gleichstromkreis austauschen, sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die elektrischen Komponenten der Stromübertragungsvorrichtung dazu ausgeführt, die Netzspannung der Stromübertragungsvorrichtung zu verarbeiten. Insbesondere zählen zu diesen elektrischen Komponenten die Schalter, die Leitungen und die Umrichter. Beispielsweise umfassen die Umrichter Hochleistungsschalter, wie etwa Transistoren oder Thyristoren, die dazu ausgeführt sind, die Netzspannung zu schalten. Darüber hinaus können die Umrichter weitere elektrische Hochleistungskomponenten, wie etwa Dioden und Kondensatoren umfassen, die dazu ausgeführt sind, die Netzspannung zu verarbeiten bzw. dieser Stand zu halten. Eine Windkraftanlage kann insbesondere eine Offshore-Anlage sein, das heißt wenigstens ein Teil der Windturbinen ist im Meer angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Windkraftanlage eine Stromübertragungsvorrichtung auf, so wie sie im Vorhergehenden und im Nachfolgenden beschrieben ist. According to one embodiment of the invention, the converter device comprises a modular multi-level converter (MMLC). A modular multi-level converter (MMLC), also known as an M2LC converter / inverter / inverter, is an inverter with a large number of series-connected phase modules Such an MMLC power converter can be used as an (active) rectifier, but also as an inverter, for example, the aforementioned rectifiers or inverters or also the first, the second converter or the common converter can use an MMLC converter. An MMLC inverter may be a direct MMLC converter, for example an MMLC matrix converter or an indirect MMLC converter in which separate rectifiers and inverters exchange their energy via a direct current circuit electrical components of the power transmission device carried out, the Mains voltage of the power transmission device to process. In particular, these electrical components include the switches, the wires and the inverters. For example, the inverters include high power switches, such as transistors or thyristors, which are designed to switch the mains voltage. In addition, the Inverter further high performance electrical components, such as diodes and capacitors include, which are designed to process the mains voltage or to stand this. In particular, a wind power plant may be an offshore wind turbine, that is to say at least a part of the wind turbines is arranged in the sea. According to one embodiment of the invention, the wind turbine has a power transmission device as described above and below.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie einer Windkraftanlage in einem Stromübertragungsnetzwerk. Another aspect of the invention relates to a method of transmitting electrical power to a wind turbine in a power transmission network.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte: Übertragen eines ersten elektrischen Stroms vom ersten Generator zu einer zentralen Station der Windkraftanlage; Übertragen eines zweiten elektrischen Stroms vom zweiten Generator zu der zentralen Station; wobei keine Spannungstransformation des ersten und des zweiten elektrischen Stroms von einer Generatorspannung auf eine Übertragungsspannung vor der zentralen Station erfolgt. According to an embodiment of the invention, the method comprises the steps of: transmitting a first electrical current from the first generator to a central station of the wind turbine; Transmitting a second electrical current from the second generator to the central station; wherein there is no voltage transformation of the first and second electrical currents from a generator voltage to a transmission voltage in front of the central station.
Es ist zu verstehen, dass Verfahrensschritte, die in Bezug auf die Ausführungsformen der Stromübertragungsvorrichtung bzw. der Windkraftanlage beschrieben wurden, auch Ausführungsformen des Verfahrens sein können und umgekehrt. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. It should be understood that method steps described with respect to the embodiments of the power transmission device or wind turbine may also be embodiments of the method, and vice versa. Embodiments of the invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Fig. 1 zeigt schematisch eine Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt schematisch eine Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention. Fig. 2 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 3 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 5 zeigt schematisch eine Windkraftanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention. Fig. 5 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Windturbine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 6 shows schematically a wind turbine according to an embodiment of the invention.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Stromübertragungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 7 shows a flow chart for a power transmission method according to an embodiment of the invention.
Fig. 8 zeigt ein Schaltdiagramm für einen Umrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 8 shows a circuit diagram for a converter according to an embodiment of the invention.
Fig. 9 zeigt ein Schaltdiagramm für einen Umrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 10 zeigt ein Schaltdiagramm für einen Umrichter gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 9 shows a circuit diagram for a converter according to an embodiment of the invention. 10 shows a circuit diagram for a converter according to an embodiment of the invention.
Fig. 1 1 zeigt ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels für einen Baustein für einen MMLC-Konverter. Fig. 1 1 shows a circuit diagram of an embodiment of a module for an MMLC converter.
Fig. 12 zeigt ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels für einen Baustein für einen MMLC-Konverter. Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen MMLC-Konverter. Fig. 12 shows a circuit diagram of an embodiment of a module for an MMLC converter. Fig. 13 shows an embodiment of an MMLC converter.
Fig. 14 zeigt ein Schaltdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Bausteins für einen Matrixkonverter. Fig. 14 shows a circuit diagram of an embodiment of a block for a matrix converter.
Fig. 15 zeigt ein Schaltdiagramm für eine Ausführungsform eines Matrixkonverters. Fig. 15 shows a circuit diagram for an embodiment of a matrix converter.
Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. The reference numerals used in the figures and their meaning are listed in summary form in the list of reference numerals. Basically, identical or similar parts are provided with the same reference numerals.
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention
Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage 10. Die Windkraftanlage 10 umfasst eine zentrale Station 12 und entfernt davon angeordnete Windturbinen 14. Zwischen den Windturbinen 14 und der zentralen Station 12 ist ein Stromübertragungsnetzwerk 16 angeordnet, das eine Mehrzahl von Stromleitungen 18 umfasst. 1 schematically shows an exemplary embodiment of a wind power plant 10. The wind power plant 10 comprises a central station 12 and wind turbines 14 arranged therefrom. Between the wind turbines 14 and the central station 12, a power transmission network 16 is arranged which comprises a plurality of power lines 18.
Jede der Windturbinen 14 umfasst einen Generator 20, der mit jeweils einer der Stromleitungen 18 verbunden ist. Der Generator 20 kann beispielsweise ein Synchron- Motor oder Motor mit Permanentmagneten sein, die im Betrieb beispielsweise einen Strom 13,8 kV Wechselspannung erzeugen. Es ist auch möglich, dass die Generatoren 20 bzw. Windturbinen 14 eine Serienkompensation aufweisen. Each of the wind turbines 14 includes a generator 20, which is connected to a respective one of the power lines 18. The generator 20 may be, for example, a synchronous motor or motor with permanent magnets that generate, for example, a current 13.8 kV AC voltage during operation. It is also possible for the generators 20 or wind turbines 14 to have series compensation.
In der zentralen Station 12 ist eine Umrichtvorrichtung 22 angeordnet, die eine Mehrzahl von Umrichtern 24 aufweist, von denen jeder über eine der Stromleitungen 18 direkt mit einem der Generatoren 20 verbunden ist. Darüber hinaus sind in der zentralen Station 12 eine Mehrzahl von Schaltern 26 angeordnet, die mit jeweils einem der Umrichter 24 verbunden sind und dazu dienen, die Umrichter 24 und die zugehörige Leitung 18 sowie den jeweiligen Generator 20 vom zentralen Generator 28 zu trennen. Auch ein zentraler Transformator 28 befindet sich in der zentralen Station 12 und ist über die Schalter 26 mit den Umrichtern 22 verbunden. An seiner anderen Seite ist der zentrale Transformator 28 mit einer Hauptversorgungsleitung 30 eines weiteren zweiten großräumigen Übertragungsnetzwerkes 32 verbunden. In the central station 12, a converter device 22 is arranged, which has a plurality of inverters 24, each of which is connected via one of the power lines 18 directly to one of the generators 20. In addition, in the central station 12, a plurality of switches 26 are arranged, which are connected to one of the inverter 24 and serve to separate the inverter 24 and the associated line 18 and the respective generator 20 from the central generator 28. Also, a central transformer 28 is located in the central station 12 and is connected via the switches 26 to the inverters 22. On its other side, the central transformer 28 is connected to a main supply line 30 of another second large-area transmission network 32.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Fig. 1 und auch in den folgenden Figuren jeweils nur eine der Stromleitungen 18, der Generatoren 20, der Umrichter 24 und der Schalter 26 mit einem Bezugszeichen bezeichnet. Diese Komponenten 18, 20, 24, 26 können identisch aufgebaut sein, können aber auch eine unterschiedliche Bauweise aufweisen. For reasons of clarity, only one of the power lines 18, the generators 20, the converter 24 and the switch 26 is designated by a reference numeral in FIG. 1 and also in the following figures. These components 18, 20, 24, 26 may be constructed identically, but may also have a different construction.
Ist die Windkraftanlage in Betrieb, wird durch die Windturbinen 14 mechanische Windenergie in elektrische Energie umgewandelt. Dabei gibt jeder der Generatoren 20 elektrischen Wechselstrom mit einer Spannung von beispielsweise 13,8 kV ab, der dann über die Leitungen 18 des Stromübertragungsnetzwerk 16 zur zentralen Station 12 geleitet wi rd . Die U m richter 24 richten den von den Generatoren kom menden Wechselstrom auf die Netzfrequenz und die Phase des Übertragungsnetzwerkes 32 um. Anschließend transformiert der Transformator 28 die 13,8 kV auf beispielsweise 150 kV, die im großräumigen Übertragungsnetzwerk 32 verwendet wird. If the wind turbine is in operation, mechanical wind energy is converted into electrical energy by the wind turbines 14. In this case, each of the generators 20 are electrical alternating current with a voltage of, for example, 13.8 kV, which then passes over the lines 18 of the power transmission network 16 to the central station 12 wi rd. The U m judge 24 direct the com coming from the generators AC to the mains frequency and the phase of the transmission network 32. Subsequently, the transformer 28 transforms the 13.8 kV to, for example, 150 kV, which is used in the large-area transmission network 32.
Dadurch, dass jede der Windturbinen 14 einzeln mit der zentralen Station 12 verbunden ist, ergibt sich eine sternförmige Topologie für das Stromübertragungsnetzwerk 1 6. Beispielsweise könnten die Windturbinen 14 sternförmig mit im Wesentlichen gleichen Abstand zur zentralen Station 12 um die zentrale Station angeordnet sein. The fact that each of the wind turbines 14 is individually connected to the central station 12, resulting in a star-shaped topology for the power transmission network 1 6. For example, the wind turbines 14 may be arranged in a star shape at substantially the same distance from the central station 12 around the central station.
Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage 10 mit einem Stromübertragungsnetzwerk 16 mit sternförmiger Topologie. Im Gegensatz zur Windkraftanlage der Fig. 1 ist bei der Windkraftanlage der Fig. 10 jeder der Umrichter 24 bei der Windturbine 14 angeordnet. Die Windkraftanlage der Fig. 10 weist also eine über die ganze Windkraftanlage verteilte (dezentrale) Umrichtvorrichtung 22 auf. FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 having a power transmission network 16 with a star-shaped topology. Unlike the wind turbine of FIG. 1, in the wind turbine of FIG. 10, each of the inverters 24 is disposed at the wind turbine 14. The wind power plant of FIG. 10 thus has a (decentralized) converter device 22 distributed over the entire wind turbine.
Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage 10 mit einem Stromübertragungsnetzwerk 16 mit sternförmiger Topologie. Analog der Windkraftanlage der Fig. 1 ist in den Windturbinen 14 jeweils ein Generator 20 angeordnet. Jedoch weist die Windkraftanlage 10 im Gegensatz zu den Windkraftanlagen der Fig. 1 und 2 eine Umrichtvorrichtung 22 mit einem gemeinsamen Umrichter 34 auf. Eine derartige Anordnung ist möglich, wenn die Generatoren 20 beispielsweise Asynchron-Generatoren sind, die bereits mit dem Netz 32 synchronisiert sind. Der gemeinsame Umrichter 34 kann dabei die Aufgabe übernehmen, bei schwachem Wind eine Drehzahlkompensation für die Generatoren durchzuführen oder auch dafür, dass die Windkraftanlage 10 sogenannte „Grid Codes" erfüllen, die von den Netzbetreibern vorgegeben werden. Mit anderen Worten kann der Umrichter 34 dazu verwendet werden, Fehler im Netz abzufangen. Diese Aufgaben können allerdings auch die Umrichter 24 bei den anderen Ausführungsformen übernehmen. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a wind power plant 10 having a power transmission network 16 with a star-shaped topology. Analogous to the wind turbine 1, a generator 20 is arranged in each of the wind turbines 14. However, in contrast to the wind turbines of FIGS. 1 and 2, the wind turbine 10 has an inverter device 22 with a common converter 34. Such an arrangement is possible when the generators 20 are, for example, asynchronous generators that are already synchronized with the network 32. The common converter 34 can take on the task of carrying out a speed compensation for the generators in weak wind or of ensuring that the wind turbine 10 fulfills so-called "grid codes" specified by the grid operators However, these tasks can also take over the inverter 24 in the other embodiments.
Darüber hinaus weist die Windkraftanlage 10 in der zentralen Station 12 noch einen zentralen Schalter 36 auf, mit dem der Umrichter 34 und die Generatoren 20 gemeinsam vom Netz 32 und dem zentralen Transformator 28 getrennt werden können. In addition, the wind turbine 10 in the central station 12 still a central switch 36, with which the inverter 34 and the generators 20 can be separated from the network 32 and the central transformer 28 together.
Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage 10 in schematischer Form. Die Windkraftanlage der Fig. 4 entspricht von der elektrischen Schaltung der einzelnen Komponenten der Windkraftanlage der Fig. 2, jedoch sind die Schalter 26 in der Windturbine 14 angeordnet und die elektrischen Leitungen 18 sind mit einer gemeinsamen Leitung 38a oder einer gemeinsamen Leitung 38b verbunden, die bei der zentralen Station 12 zusammengeführt werden. Die gemeinsamen Leitungen 38a und 38b sind mit dem zentralen Transformator 28 in der zentralen Station verbunden. Anstatt in jeder der Windturbinen 14 einen lokalen Umrichter 24 anzuordnen, ist es bei der Windkraftanlage der Fig. 4 auch möglich, analog der Fig. 3 einen zentralen gemeinsamen Umrichter 34 vorzusehen. 4 shows a further embodiment of a wind turbine 10 in a schematic form. The wind turbine of Fig. 4 corresponds to the electrical circuit of the individual components of the wind turbine of Fig. 2, but the switches 26 are arranged in the wind turbine 14 and the electrical lines 18 are connected to a common line 38 a or a common line 38 b, the be merged at the central station 12. The common lines 38a and 38b are connected to the central transformer 28 in the central station. Instead of arranging a local converter 24 in each of the wind turbines 14, it is also possible in the wind power plant of FIG. 4 to provide a central common converter 34 analogously to FIG.
Bei dem Stromübertragungsnetzwerk der Fig. 4 sind die Windturbinen 14 über die Leitungen 18„Daisy-Chain"-artig bzw. analog eine Blumenkette aneinander an einer der gemeinsamen Leitungen 38a, 38b aufgereiht. Daher spricht man beim Stromübertragungsnetzwerk 16 der Fig. 4 auch von einer„Daisy-Chain-Topologie". 4, the wind turbines 14 are daisy-chained via the lines 18 to one another on one of the common lines 38a, 38b, so that the current transmission network 16 of FIG a "daisy-chain topology."
Die Fig. 5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage 10 mit einem Stromübertragungsnetzwerk 16 mit Daisy-Chain-Topologie. In jeder der Windturbinen 14 der Windkraftanlage 10 der Fig. 5 sind ein Schalter 20 und ein Gleichrichter 40 angeordnet. 5 shows schematically another embodiment of a wind turbine 10 with a power transmission network 16 with daisy-chain topology. In each of the Wind turbines 14 of the wind turbine 10 of FIG. 5, a switch 20 and a rectifier 40 are arranged.
Mit dem Schalter 26 in einer der Windturbinen 14 kann der Gleichrichter 40 von dem jeweiligen Generator 20 getrennt werden. Jeder der Gleichrichter 40 dient dazu, einen vom Generator stammenden Wechselstrom mit beispielsweise 13,8 kV in einen Gleichstrom mit 13,8 kV gleichzurichten. Der Gleichrichter 40 kann beispielsweise ein passiver Gleichrichter, wie etwa ein Dioden-Gleichrichter oder auch ein aktiver Gleichrichter, wie beispielsweise ein MMLC-Konverter sein. With the switch 26 in one of the wind turbines 14, the rectifier 40 can be separated from the respective generator 20. Each of the rectifiers 40 serves to rectify a generator-derived alternating current of, for example, 13.8 kV into a 13.8 kV direct current. For example, the rectifier 40 may be a passive rectifier, such as a diode rectifier or an active rectifier, such as an MMLC converter.
Im Gegensatz zu den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Stromübertragungsnetzwerken überträgt das Stromübertragungsnetzwerk der Fig. 5 Gleichstrom zur zentralen Station 12. Die gemeinsamen Leitungen 38a und 38b sind dabei mit einem gemeinsamen zentralen Wechselrichter 42 verbunden, der den von den Gleichrichtern 40 stammenden Gleichstrom in einen Wechselstrom gleicher Spannung aber mit der Netzfrequenz des großräumigen Übertragungsnetzwerkes 32 umformt. Über einen zentralen Schalter 36 können der Wechselrichter 42, das Übertragungsnetzwerk 16, die Gleichrichter 40, die Schalter 26 und die Generatoren 20 vom Transformator 28 und dem Stromübertragungsnetzwerk 32 getrennt kann. Mit anderen Worten dient der Schalter 36 dazu, alle elektrischen Komponenten der Windkraftanlage 10, die dem Transformator 28 vorgeschaltet sind, von diesem zu trennen. In contrast to the power transmission networks illustrated in FIGS. 1 to 4, the power transmission network of FIG. 5 transmits DC power to the central station 12. The common lines 38a and 38b are connected to a common central inverter 42 which receives the direct current from the rectifiers 40 in an alternating current of the same voltage but with the power frequency of the large-scale transmission network 32 transforms. Via a central switch 36, the inverter 42, the transmission network 16, the rectifiers 40, the switches 26 and the generators 20 can be separated from the transformer 28 and the power transmission network 32. In other words, the switch 36 serves to separate all electrical components of the wind turbine 10, which are upstream of the transformer 28, from this.
Insgesamt ist zu den in den Fig. 1 bis 5 schematisch dargestellten Windkraftanlagen zu sagen, dass sie nur beispielhafte Ausführungsformen davon sind, dass keine Spannungstransformation vor der zentralen Station 12 erfolgt. Beispielsweise ist es möglich, die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Windkraftanlagen 10 zu kombinieren . Beispielsweise könnte das in der Fig. 5 dargestellte Stromübertragungsnetzwerk 16 eine sternförm ige Topologie aufweisen , oder d ie i n d en Fig . 1 bis 3 da rgestel lten Stromübertragungsnetzwerke 16 könnten kombiniert werden. Beispielsweise könnte eine Mehrzahl von Windkraftanlagen analog der Windkraftanlage 10 der Fig. 3 mit einer weiteren Anzahl von Windkraftanlagen analog den Fig. 1 und 2 zusammengeschaltet werden. Ein anderes Beispiel wäre, das in der Figur 4 dargestellte Spannungsübertragungsnetzwerk 16 an ein weiteres sternförmiges Spannungsübertragungsnetzwerk 16 analog den Fig. 1 und 2 oder 3 anzuschließen. Hierbei wäre es dann so, dass anstatt des Anschlusses an den Transformator 28, so wie er in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, die entsprechende Anschlussstelle an eine der gemeinsamen Leitungen 38a oder 38b angeschlossen ist. Overall, the wind turbines shown schematically in FIGS. 1 to 5 are to say that they are only exemplary embodiments of the fact that no voltage transformation takes place in front of the central station 12. For example, it is possible to combine the wind turbines 10 shown in FIGS. 1 to 5. For example, the power transmission network 16 illustrated in FIG. 5 could have a star-shaped topology, or the same as FIG. 1 to 3 provided power transmission networks 16 could be combined. For example, a plurality of wind turbines analogous to the wind turbine 10 of FIG. 3 could be interconnected with a further number of wind turbines analogous to FIGS. 1 and 2. Another example would be to connect the voltage transmission network 16 shown in FIG. 4 to another star-shaped voltage transmission network 16 analogous to FIGS. 1 and 2 or 3. It would then be such that instead of the connection to the transformer 28, as well it is shown in Figs. 1 to 3, the corresponding connection point is connected to one of the common lines 38a or 38b.
Die Fig. 6 zeigt schematisch und beispielhaft, wie eine Windturbine 14, insbesondere die einer Offshore-Anlage, aufgebaut sein kann. Die Windkraftanlage 14 weist einen Sockel 44 auf, der bei einer derartigen Anlage am Meeresgrund verankert sein kann. Auf dem Sockel 44 ist ein Turm 46 angebracht, der mehrere 100 m an Höhe aufweisen kann. Am oberen Ende des Turms 46 befindet sich eine Gondel 48, die relativ zum Turm 46 drehbar ist und in der ein Generator 20 angeordnet ist, der mechanisch mit einem Rotor 52 verbunden ist. Die bei einer Drehung des Rotors 52 vom Generator 20 erzeugte elektrische Energie wird über die Leitung 18 in Richtung zentrale Station 12 übertragen. In d e r G o n d e l 48 , i m Tu rm 46 od e r a u ch i m S ocke l 44 kö n n e n s i ch we i te re Hochleistungsgeräte bzw. elektrische Komponenten 50, wie etwa die Schalter 26, die Gleichrichter 40, die Umrichter 24, usw. befinden. FIG. 6 shows schematically and by way of example how a wind turbine 14, in particular that of an offshore installation, can be constructed. The wind turbine 14 has a base 44 which may be anchored in such a system on the seabed. On the base 44, a tower 46 is mounted, which may have several 100 m in height. At the upper end of the tower 46 is a nacelle 48 which is rotatable relative to the tower 46 and in which a generator 20 is arranged which is mechanically connected to a rotor 52. The electrical energy generated by the generator 20 upon rotation of the rotor 52 is transmitted via the line 18 in the direction of the central station 12. High-performance devices or electrical components 50, such as the switches 26, the rectifiers 40, the inverters 24, etc., are located in the door 48, in the door 46, or in the door sill 44.
Die Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Übertragungsverfahren von elektrischer Energie von den Windturbinen 14 in das großräumige Übertragungsnetzwerk 32. FIG. 7 shows a flowchart for a transmission method of electrical energy from the wind turbines 14 into the large-area transmission network 32.
In einem Schritt S10 wird elektrische Energie, die von einer Mehrzahl von Generatoren 20 durch Windkraft erzeugt wird, in das Übertragungsnetzwerk 16 eingespeist. Die elektrische Energie kann dabei über elektrische Leitungen 18 übertragen werden, die ein Stromübertragungsnetzwerk 16 mit sternförmiger oder Daisy-Chain-Topologie bilden. Die von den Generatoren 20 elektrische Energie bzw. der elektrische Strom wird dabei vor einer zentralen Station 12, die als Schnittstelle zwischen dem ersten Übertragungsnetzwerk 16 und einem zweiten weiteren großräumigen Übertragungsnetzwerk 32 liegt, nicht spannungstransformiert. Beispielsweise kann die elektrische Spannung im gesamten Übertragungsnetzwerk 16 13,8 kV betragen. In a step S10, electric power generated by a plurality of generators 20 by wind power is input to the transmission network 16. The electrical energy can be transmitted via electrical lines 18, which form a power transmission network 16 with star-shaped or daisy-chain topology. The electrical energy or the electric current from the generators 20 is not voltage-transformed in front of a central station 12, which is located as an interface between the first transmission network 16 and a second further large-area transmission network 32. For example, the electrical voltage in the entire transmission network 16 can be 13.8 kV.
Optional kann in einem Schritt S12, der alternativ auch vor dem Schritt S10 durchgeführt werden kann, der elektrische Strom in Stromübertragungsnetzwerk 16 umgerichtet werden, das heißt der elektrische Strom kann auch von einer Wechselspannung in Gleichspannung oder in eine Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz umgerichtet bzw. umgewandelt werden. Dazu kann sich im Stromnetzwerk 16 eine Umrichtvorrichtung 22 befinden. Die Umrichtvorrichtung 22 kann dabei eine Mehrzahl von lokalen Umrichtern 24 in den Windturbinen 14, eine Mehrzahl von Umrichtern 24 in der zentralen Station 12 oder einem gemeinsamen Umrichter 34 in der zentralen Station 12 umfassen. Weiter ist es auch möglich, dass die Umrichtvorrichtung 22 eine Kombination dieser Umrichter umfasst. Insgesamt wird der von den Generatoren 20 stammende elektrische Strom auf eine Frequenz des großräumigen Übertragungsnetzwerks 32 umgerichtet, beispielsweise 50 oder 60 Hz. Optionally, in a step S12, which alternatively can also be carried out before step S10, the electric current can be redirected into power transmission network 16, that is to say the electrical current can also be converted or converted from an alternating voltage into direct voltage or into an alternating voltage of different frequency , For this purpose, an inverter device 22 may be located in the power network 16. The conversion device 22 can be a plurality of local converters 24 in the wind turbines 14, a plurality of inverters 24 in the central station 12 or a common inverter 34 in the central station 12. Furthermore, it is also possible for the converter device 22 to comprise a combination of these converters. Overall, the electric current originating from the generators 20 is converted to a frequency of the large-area transmission network 32, for example 50 or 60 Hz.
Außerdem ist es möglich, dass die Umrichtvorrichtung 22 eine Mehrzahl von lokalen Gleichrichtern in den Windturbinen 14 und einen zentralen Wechselrichter 42 in der zentralen Station 12 umfasst. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass das Übertragen der elektrischen Energie von den Windturbinen zu der zentralen Station im Schritt S10 im Wesentlichen im gesamten Stromübertragungsnetzwerk 16 in Gleichstrom erfolgt. In einem anschließenden Schritt S14 wird der vom Stromübertragungsnetzwerk 16 übertragene Strom durch einen zentralen Transformator 28 von der Spannung im Üb e rt ra g u n g s n etzwe rk 1 6 i n d i e S p a n n u n g i m we i t e re n g ro ß rä u m i g e n Stromübertragungsnetzwerk 32 transformiert, beispielsweise von 13,8 kV auf 150 kV. Die Fig. 8 bis 10 zeigen Schaltdiagramme verschiedener möglicher Ausführungsbeispiele für die verschiedenen in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Umrichter 24, 34. In addition, it is possible for the inverter device 22 to include a plurality of local rectifiers in the wind turbines 14 and a central inverter 42 in the central station 12. Thus, it can be achieved, for example, that the transmission of the electrical energy from the wind turbines to the central station takes place in step S10 substantially in the entire power transmission network 16 in direct current. In a subsequent step S14, the current transmitted by the power transmission network 16 is transformed by a central transformer 28 from the voltage in the transmission network 1 6 into the power transmission network 32, for example from 13.8 kV to 150 kV. FIGS. 8 to 10 are circuit diagrams of various possible embodiments of the various inverters 24, 34 shown in FIGS. 1 to 6.
Die Fig. 8 zeigt einen Umrichter 24, 34, der einen Gleichrichter 40 und einen Wechselrichter 42 aufweist. Der Gleichrichter 40 ist mit dem Generator 20 verbunden und erzeugt aus der Wechselspannung des Generators 20 Gleichstrom für einen Gleichstromkreis 54, der dann vom Wechselrichter 42 wieder in eine Wechselspannung anderer Frequenz, aber gleicher Spannung umgewandelt werden kann. Zwischen dem Schalter 26 und dem Wechsel- oder Stromrichter 42 ist darüber hinaus eine Drossel 56 angeordnet. Der in der Fig. 8 gezeigte Umrichter 24, 34 ist wegen des inneren Gleichstromkreises 54 ein indirekter Umrichter. Der Gleichrichter 40 kann dabei ein passiver Gleichrichter oder ein aktiver Gleichrichter sein. Beispielsweise wäre es möglich, für den Gleichrichter 40 und den Wechselrichter 42 jeweils einen MMLC-Stromrichter zu verwenden, so wie sie im Folgenden noch beschrieben werden. Eine Kombination eines passiven Gleichrichters 40 mit einem MMLC-Wechselrichters 42 ist allerdings auch möglich. FIG. 8 shows a converter 24, 34, which has a rectifier 40 and an inverter 42. The rectifier 40 is connected to the generator 20 and generates from the AC voltage of the generator 20 DC for a DC circuit 54, which can then be converted by the inverter 42 again in an AC voltage of different frequency, but the same voltage. Between the switch 26 and the AC or power converter 42, a throttle 56 is also arranged. The inverter 24, 34 shown in FIG. 8 is an indirect converter because of the internal DC circuit 54. The rectifier 40 may be a passive rectifier or an active rectifier. For example, it would be possible to use for the rectifier 40 and the inverter 42 each an MMLC power converter, as will be described below. A combination of a passive rectifier 40 with an MMLC inverter 42 is also possible.
Die Fig. 9 zeigt eine weitere Möglichkeit für einen Umrichter 24 oder 34, bei dem ein 12- poliger Generator 20 mit zwei Gleichrichtern 40 verbunden ist, die jeweils einen Teil der Phasen des Generators 12 gleichrichten. Der in der Fig. 9 dargestellte Umrichter 24, 34 weist in seinem Gleichspannungsstromkreis 54 einen Wechselrichter 42 auf, der den Strom aus beiden Gleichrichtern 40 in Wechselspannung umwandelt. Die Gleichrichter 40 und Wechselrichter 42 der Fig. 9 können genauso wie die der Fig. 8 aufgebaut sein (aktive/passive Gleichrichter, MMLC-Stromrichter usw.) FIG. 9 shows a further possibility for a converter 24 or 34, in which a 12-pole generator 20 is connected to two rectifiers 40 which each rectify a part of the phases of the generator 12. The converter 24, 34 shown in FIG. 9 has in its DC voltage circuit 54 an inverter 42 which converts the current from both rectifiers 40 into AC voltage. The rectifiers 40 and inverters 42 of FIG. 9 may be constructed the same as those of FIG. 8 (active / passive rectifiers, MMLC power converters, etc.).
In der Fig. 10 ist ein weiteres Schaltdiagramm für einen Umrichter 24 oder 34 dargestellt, der einen direkten Umrichter 56 aufweist. Auch der direkte Umrichter 56 kann ein MMLC- Umrichter sein, so wie er im Folgenden noch beschrieben wird. FIG. 10 shows a further circuit diagram for a converter 24 or 34, which has a direct converter 56. The direct converter 56 may also be an MMLC converter, as will be described below.
Die Fig. 1 1 bis 13 zeigen Schaltdiagramme für einen sogenannten MMLC-Stromrichter, so wie er auch in der DE 101 03 031 A1 beschrieben ist. Bei einem derartigen Stromrichter sind die Energiespeicher (das heißt die Kondensatoren) über eine Mehrzahl von Bausteinen verteilt, was den Vorteil schaffen kann, dass der wirksame Energiegehalt des Stromrichters gesteuert werden kann. 1 to 13 show circuit diagrams for a so-called MMLC power converter, as it is also described in DE 101 03 031 A1. In such a power converter, the energy stores (that is, the capacitors) are distributed over a plurality of components, which can provide the advantage that the effective energy content of the power converter can be controlled.
Die Fig. 1 1 zeigt das Schaltdiagramm eines ersten Beispiels eines derartigen Bausteins 58. Die sogenannte Halbbrückenschaltung 58 weist zwei Dioden 60 und zwei steuerbare Halbleiter-Schalter 62 auf, die beispielsweise Transistoren 62 bzw. Thyristoren 62 sein können. Darüber hinaus ist in der Halbbrücke 58 ein Energiespeicher 64 in der Form eines Kondensators angeordnet. Der Baustein 58 weist darüber hinaus zwei Ausgänge X1 , X2 auf, über die der Baustein 58 mit weiteren Bausteinen 58, so wie es weiter unten in der Fig. 13 beschrieben wird, in Reihe geschaltet werden kann. Die Fig. 12 zeigt einen zweiten Baustein 58' einer alternativen Ausführungsform einer Halbbrücke 58'. Der in der Fig. 12 dargestellte Baustein 58' ist im Wesentlichen wie der Baustein 58 aus der Fig. 1 1 aufgebaut. Lediglich die Ausgänge X1 und X2 sind mit anderen Punkten der Schaltung verbunden. ln der Fig. 13 ist ein Schaltdiagramm für einen MMLC-Stromrichter 66 für eine Phase dargestellt. Eine Phase eines Wechselstroms wird mit dem Ein-/ bzw. Ausgang L des MMLC-Stromrichters 66 verbunden. Die Aus- bzw. Eingänge P und N des MMLC- Stromrichters 66 werden mit einem Gleichstromkreis, beispielsweise den Gleichstromkreis 54 aus den Fig. 8 und 9 verbunden. Bei den Ein- bzw. Ausgängen P und N weist der Stromrichter 66 noch jeweils eine Drossel 68 auf. 1 1 shows the circuit diagram of a first example of such a device 58. The so-called half-bridge circuit 58 has two diodes 60 and two controllable semiconductor switches 62, which may be transistors 62 and thyristors 62, for example. In addition, in the half-bridge 58, an energy store 64 is arranged in the form of a capacitor. The module 58 also has two outputs X1, X2, via which the module 58 can be connected in series with further modules 58, as described below in FIG. 13. FIG. 12 shows a second building block 58 'of an alternative embodiment of a half bridge 58'. The block 58 'shown in FIG. 12 is essentially constructed like the block 58 from FIG. 11. Only the outputs X1 and X2 are connected to other points of the circuit. Referring now to Figure 13, there is shown a circuit diagram for an MMLC power converter 66 for one phase. A phase of an alternating current is connected to the input L of the MMLC power converter 66. The outputs and inputs P and N of the MMLC power converter 66 are connected to a DC circuit, for example the DC circuit 54 of FIGS. 8 and 9. In the inputs and outputs P and N, the power converter 66 still has a respective throttle 68.
Der MMLC-Stromrichter 66 umfasst eine Mehrzahl von in Reihe geschaltete Halbbrücken 58 oder 58'. Im Prinzip ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Halbbrücken 58 und 58' in beliebiger Reihenfolge über ihre Ausgänge X1 und X2 hintereinander zu schalten, so wie es in der Fig. 13 dargestellt ist. Bei der Ausführungsform der Fig. 13 ist der Ausgang L über eine Halbbrücke 58, eine mit der Halbbrücke 58 gekoppelte Halbbrücke 58' und eine daran gekoppelte Drossel 68 mit dem Ausgang P verbunden sowie der Ausgang L über zwei miteinander gekoppelte Halbbrücken 58 und einer daran gekoppelte Drossel 68 mit dem Ausgang N verbunden. Für die Kombination aus zwei Halbbrücken ist in beiden Zweigen zu den Ausgängen P oder L jede der Kombinationen 58, 58 oder 58, 58' oder 58', 58 oder 58', 58' möglich. The MMLC power converter 66 includes a plurality of series connected half bridges 58 or 58 '. In principle, it is possible to connect an arbitrary number of half-bridges 58 and 58 'in succession via their outputs X1 and X2 in succession, as shown in FIG. In the embodiment of FIG. 13, the output L is connected to the output P via a half-bridge 58, a half-bridge 58 'coupled to the half-bridge 58, and a choke 68 coupled thereto, and the output L is coupled to two half-bridges 58 coupled thereto and one coupled thereto Throttle 68 is connected to the output N. For the combination of two half-bridges, each of the combinations 58, 58 or 58, 58 'or 58', 58 or 58 ', 58' is possible in both branches to the outputs P or L.
In den Fig. 14 und 15 sind Schaltdiagramme für einen direkten Umrichter 70dargestellt. Das Prinzip eines Matrixumrichters ist beispielsweise in der US 6,900,998 B2 beschrieben. FIGS. 14 and 15 are circuit diagrams for a direct converter 70. The principle of a matrix converter is described, for example, in US Pat. No. 6,900,998 B2.
Die Fig. 14 zeigt dabei ein Schaltdiagramm für einen Baustein 72, eine sogenannte Vollbrückenschaltung 72 oder Vollbrücke 72. Die Vollbrücke 72 umfasst vier Dioden 60 und vier Schalter 62, beispielsweise Transistoren 62 oder Thyristoren 62 und einen Energiespeicher in der Form eines Kondensators 64. Die Vollbrücke 72 ist dabei im Wesentlichen eine Kombination von zwei Halbbrücken 58 oder 58' aus den Fig. 1 1 oder 12. In der Fig. 15 ist ein Schaltdiagramm für einen MMLC Matrixumrichter 70 dargestellt, der drei Phasen L1 , L2, L3 eines ersten Wechselstroms in drei Phasen L1 ', L2', L3' eines zweiten Wechselstroms mit einer zweiten Frequenz, die sich von der ersten Frequenz des ersten Wechselstroms unterscheiden kann, umrichten kann. Natürlich ist es möglich, die in der Fig. 15 dargestellte Matrix von drei mal drei Phasen zu beliebig vielen Phasen zu erweitern. FIG. 14 shows a circuit diagram for a module 72, a so-called full bridge circuit 72 or full bridge 72. The full bridge 72 comprises four diodes 60 and four switches 62, for example transistors 62 or thyristors 62 and an energy store in the form of a capacitor 64 Full bridge 72 is essentially a combination of two half-bridges 58 or 58 'from FIGS. 11 or 12. FIG. 15 shows a circuit diagram for an MMLC matrix converter 70, which has three phases L1, L2, L3 of a first alternating current in three phases L1 ', L2', L3 'of a second alternating current with a second frequency which may differ from the first frequency of the first alternating current. Of course it is possible that in the Fig. 15 illustrated matrix of three times three phases to any number of phases to expand.
An den Kreuzungspunkten der Matrix weist der Matrixumrichter 70 die Vollbrücken 72 auf, die über ihre Ein- bzw. Ausgänge X1 und X2 mit einer Phase des ersten Wechselstroms und einer weiteren Phase des zweiten Wechselstroms verbunden sind. So wie es in der linken oberen Ecke der Matrix dargestellt ist, können auch mehrere der Halbbrücken 72 über ihre Ausgänge X1 und X2 in Reihe geschaltet werden, wobei die Enden der Reihenschaltung jeweils mit einer Phase des ersten Stroms und einer anderen Phase des zweiten Stroms verbunden sind. Auf diese Weise entsteht ein direkter MMLC-Umrichter 70. At the crossing points of the matrix, the matrix converter 70 has the full bridges 72, which are connected via their inputs or outputs X1 and X2 to a phase of the first alternating current and to another phase of the second alternating current. As shown in the upper left corner of the matrix, several of the half bridges 72 may also be connected in series via their outputs X1 and X2, with the ends of the series connected respectively to one phase of the first current and another phase of the second current are. In this way, a direct MMLC inverter 70 is created.
Im Gegensatz zu der in der Fig. 15 dargestellten Schaltung wird in der Regel ein derartiger Matrixu mrichter 70 an jedem Kreuzu ngspun kt eine gleiche Anzah l an Halbbrückenbausteinen 72 aufweisen. Darüber hinaus ist an mindestens einem Ende der Umrichterbausteine 72 am Verbindungspunkt zur Phase des ersten Wechselstroms eine Drossel 68 vorgesehen. In contrast to the circuit shown in FIG. 15, such a matrix converter 70 will generally have an equal number of half-bridge modules 72 at each cross-section. In addition, a throttle 68 is provided at at least one end of the inverter modules 72 at the connection point to the phase of the first alternating current.
Für den in den Fig. 1 1 bis 15 dargestellten Schaltungen, insbesondere die Dioden 60, Schalter 62, Kondensatoren 64 und Drosseln 68 gilt, dass sie, wie bereits zuvor erläutert, in Umrichtern eingesetzt werden, die elektrische Ströme von Spannungen bis zu beispielsweise 13,8 kV und mehreren 100 A verarbeiten können. For the circuits shown in FIGS. 1 to 15, in particular the diodes 60, switches 62, capacitors 64 and chokes 68, it applies that, as already explained above, they are used in converters which supply electric currents of voltages up to, for example, 13 , 8 kV and several 100 A.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen. LISTE DER BEZUGSZEICHEN In addition, it should be understood that "comprising" does not exclude other elements or steps and "a" or "an" does not exclude a plurality. "Further, it should be noted that features or steps described with reference to one of the above embodiments also can be used in combination with other features or steps of other embodiments described above, and reference signs in the claims are not intended to be limiting. LIST OF REFERENCE SIGNS
10 Windkraftanlage  10 wind turbine
12 zentrale Station  12 central station
14 Windturbine  14 wind turbine
16 Stromübertragungsnetzwerk 16 power transmission network
18 Stromleitung  18 power line
20 Generator  20 generator
22 Umrichtvorrichtung  22 converter device
24 Umrichter  24 inverters
26 Schalter 26 switches
28 Transformator  28 transformer
30 Hauptversorgungsleitung  30 main supply line
32 großräumiges Übertragungsnetzwerk 32 large-scale transmission network
34 gemeinsamer Umrichter 34 common inverter
36 zentraler Schalter 36 central switch
38a, 38b gemeinsame Leitung  38a, 38b common line
40 Gleichrichter  40 rectifiers
42 zentraler Wechselrichter  42 central inverter
44 Sockel  44 sockets
46 Turm 46 tower
48 Gondel  48 gondola
50 elektrische Komponenten  50 electrical components
52 Rotor  52 rotor
54 Gleichspannungskreis  54 DC voltage circuit
56 direkter Umrichter 56 direct drives
58, 58' Halbbrücke  58, 58 'half bridge
60 Diode  60 diode
62 Thyristor  62 thyristor
64 Kondensator  64 capacitor
66 MMLC-Stromrichter 66 MMLC power converters
68 Drossel ōštrixumrichter 68 throttle ōštrixumrichter

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Wind kraftanlage (12), u mfassend : 1 . Wind power plant (12), u comprehensive:
wenigstens eine erste Windturbine (14) mit einem ersten Generator (20) und eine zweite Windturbine (14) mit einem zweiten Generator (20),  at least one first wind turbine (14) having a first generator (20) and a second wind turbine (14) having a second generator (20),
ein Stromübertragungsnetzwerk (16) zum Übertragen eines ersten elektrischen Stroms vom ersten Generator (20) zu einer zentralen Station (12) der Windkraftanlage (10) und eines zweiten elektrischen Stroms vom zweiten Generator (20) zu der zentralen Station (12), eine Umrichtvorrichtung (22) mit einem ersten Umrichter (24), der dazu ausgeführt ist, den ersten Strom auf eine Netzfrequenz des Stromübertragungsnetzwerks (16) umzurichten und mit einem zweiten Umrichter (24), der dazu ausgeführt ist, den zweiten Strom auf die Netzfrequenz des Stromübertragungsnetzwerks (16) umzurichten,  a power transmission network (16) for transmitting a first electrical current from the first generator (20) to a central station (12) of the wind turbine (10) and a second electrical power from the second generator (20) to the central station (12), an inverter device (22) comprising a first inverter (24) adapted to convert the first current to a grid frequency of the power transmission network (16) and a second inverter (24) adapted to apply the second current to the grid frequency of the power transmission network (16) to rearrange
einen zentralen Transformator (28) in einer zentralen Station (12), wobei der zentrale Transformator (28) dazu ausgeführt ist den ersten und den zweiten Strom von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung eines großräumigen Stromübertragungsnetzwerks (32) zu transformieren.  a central transformer (28) in a central station (12), the central transformer (28) being adapted to transform the first and second currents from a first voltage to a second voltage of a large scale power transmission network (32).
wobei der erste Umrichter (24) in der ersten Windturbine (14) und der zweite Umrichter (24) in der zweiten Windturbine (14) angeordnet ist oder der erste Umrichter (24) und der zweite Umrichter (24) in der zentralen Station (12) angeordnet sind,  wherein the first inverter (24) in the first wind turbine (14) and the second inverter (24) in the second wind turbine (14) is arranged or the first inverter (24) and the second inverter (24) in the central station (12 ) are arranged
wobei der erste Umrichter (24) und der zweite Umrichter (24) direkte Umrichter sind.  wherein the first inverter (24) and the second inverter (24) are direct converters.
2. Wi nd kraftan lage ( 1 2) nach Anspru ch 1 , wobei d ie U m richtvorrichtu n g ( 1 6) einen modularen Multiniveau-Umrichter (MMLC) (66) oder einen modularen Multiniveau-Matrix-Umrichter (70), umfasst. 2. A power plant (1 2) according to claim 1, wherein the power device (16) comprises a modular multi-level inverter (MMLC) (66) or a modular multi-level matrix converter (70) ,
3. Windkraftanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Windkraftanlage eine Offshore-Anlage ist. 3. Wind power plant (10) according to claim 1 or 2, where the wind turbine is an offshore facility.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Wind turbine (10) according to one of the preceding claims,
wobei das Stromübertragungsnetzwerk eine erste Stromleitung zum Übertragen des ersten elektrischen Stroms vom ersten Generator (20) zu der zentralen Station (12) und eine zweite Stromleitung zum Übertragen des zweiten elektrischen Stroms vom zweiten Generator (20) zu der zentralen Station (12), umfasst. wherein the power transmission network comprises a first power line for transmitting the first electrical power from the first generator (20) to the central station (12) and a second power line for transmitting the second electrical power from the second generator (20) to the central station (12) ,
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 4, Wind power plant (10) according to claim 4,
wobei die erste und zweite Stromleitung zum Übertragung von mehrphasigem Wechselstrom ausgeführt sind. wherein the first and second power lines are designed for the transmission of multi-phase alternating current.
Windkraftanlage (10) nach Anspruch 4 oder 5, Wind turbine (10) according to claim 4 or 5,
wobei die erste und zweite Stromleitungen mehr als hundert Meter lang sind. wherein the first and second power lines are more than a hundred meters long.
Windkraftanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Wind turbine (10) according to one of the preceding claims,
wobei der erste und/oder der zweite Umrichter (24) dazu ausgeführt sind, eine Frequenz des elektrischen Stroms aus dem ersten und/oder dem zweiten Generator (20) in eine Frequenz des Stromübertragungsnetzwerks (16) zu ändern. wherein the first and / or the second inverter (24) are adapted to change a frequency of the electrical current from the first and / or the second generator (20) into a frequency of the power transmission network (16).
Windkraftanlage nach Anspruch 7, Wind turbine according to claim 7,
wobei die Spannung aus dem ersten und/oder dem zweiten Generator (20) gleich der Spannung im Stromübertragungsnetzwerk (16) ist. wherein the voltage from the first and / or the second generator (20) is equal to the voltage in the power transmission network (16).
Windkraftanlage nach Anspruch 7 oder 8, Wind turbine according to claim 7 or 8,
wobei die Frequenz des Stromübertragungsnetzwerks (16) gleich der Frequenz des großräumigen Stromübertragungsnetzwerks ist. wherein the frequency of the power transmission network (16) is equal to the frequency of the large-capacity power transmission network.
Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie einer Windkraftanlage (10) in einem Stromübertragungsnetzwerk (16), wobei die Windkraftanlage (10) wenigstens eine erste Windturbine (14) mit einem ersten Generator (20) und eine zweite Windturbine (14) mit einem zweiten Generator (20) und eine zentrale Station (12) umfasst, Method for transmitting electrical energy of a wind turbine (10) in a power transmission network (16), wherein the wind turbine (10) comprises at least a first wind turbine (14) with a first generator (20) and a second wind turbine (14) with a second generator (20) and a central station (12),
das Verfahren umfassend die Schritte: the method comprising the steps:
Übertragen eines ersten elektrischen Stroms vom ersten Generator (20) zu der zentralen Station (12) der Windkraftanlage (10),  Transmitting a first electrical current from the first generator (20) to the central station (12) of the wind turbine (10),
Übertragen eines zweiten elektrischen Stroms vom zweiten Generator (20) zu der zentralen Station (12),  Transmitting a second electrical current from the second generator (20) to the central station (12),
Umrichten des ersten Stroms auf eine Netzfrequenz des Stromübertragungsnetzwerks (16) mit einem ersten direkten Umrichter (24),Converting the first stream to a grid frequency of the power transmission network (16) having a first direct converter (24),
Umrichten des zweiten Stroms auf die Netzfrequenz des Stromübertragungsnetzwerks (16) mit einem zweiten direkten Umrichter (24),Converting the second current to the line frequency of the power transmission network (16) with a second direct converter (24),
Transformieren des ersten und des zweiten Stroms von einer ersten Spannung auf eine zweite Spannung eines großräumigen Stromübertragungsnetzwerks (32) mit einem zentralen Transformator (28) in einer zentralen Station (12), Transforming the first and second currents from a first voltage to a second voltage of a large-scale power transmission network (32) to a central transformer (28) in a central station (12),
wobei der erste Umrichter (24) in der ersten Windturbine (14) und der zweite Umrichter (24) in der zweiten Windturbine (14) angeordnet ist oder der erste Umrichter (24) und der zweite Umrichter (24) in der zentralen Station (12) angeordnet sind. wherein the first inverter (24) in the first wind turbine (14) and the second inverter (24) in the second wind turbine (14) is arranged or the first inverter (24) and the second inverter (24) in the central station (12 ) are arranged.
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