WO2013075915A2 - Vorrichtung und verfahren zur gewinnung von energie aus einer fluidströmung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur gewinnung von energie aus einer fluidströmung Download PDF

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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a system for obtaining electrical energy from a fluid flow, in particular an air or water flow, such.
  • B a method for operating a wind or hydroelectric power plant.
  • the invention further relates to a device, in particular a drive train of such or for such a system.
  • variable speed wind turbines with electrically controlled superposition gearbox by P. Caselitz et al, DEWEK 92 pages 171-175, a concept for the variable-speed operation of wind turbines is presented.
  • speed variability is not realized in the electrical part but in the mechanical part of the system.
  • the core of the system is a superposition gearbox, which has a third shaft in addition to a first and second shaft, via which the speed ratio between the rotor and generator can be varied. In this way, despite variable rotor speed, the generator speed can be kept constant. This allows the use of a directly grid-connected synchronous generator, which has a high degree of network compatibility.
  • the basic speed CORO depends exclusively on the gear ratio ii and the generator speed CGOO, such as. B. 1500 1 / min, from.
  • the power at the control shaft can be represented as a function of the rotor speed in the following form:
  • the control machine If the rotor speed is above the base speed, the control machine operates as a generator. If it is below the base speed, the control machine works by motor.
  • the average wind speed is determined at the desired location. The system is designed for this wind speed. Since in the operation of such plants, the wind speed is of course not constant and is also expected in part with gusty wind, is in the system, as proposed by P. Caselitz, the control machine, namely the motor-generator so strong It is designed to convert overloads caused by gusty wind into electrical energy and to supply it to the power grid via a frequency converter. The margin for non-stationary or dynamic speed deviations must remain sufficiently large.
  • control machine has to be designed with a rated output which corresponds to more than 20% of the power applied to the rotor shaft, ie to the transmission transmission or dissipated power.
  • the frequency converter and the three-phase machine, via which the control machine feeds electricity into the power grid must also be designed for higher power ratings, which reduces the efficiency and increases the price of the system.
  • the proportion of the power dissipated via the frequency converter into the grid is relatively high, which suffers the power supply quality (due to flicker, harmonics, voltage level, reactive power).
  • the invention has for its object to provide a system for recovering energy from a fluid flow and a method for operating such a system, in which the overall efficiency is increased and the costs are reduced, at the same time the Stromeinspeisequalified.
  • the invention is based on a drive train for a system for obtaining electrical energy from a fluid flow, in particular an air or water flow.
  • the plant can be a wind or hydroelectric plant.
  • the drive train can be used anywhere where the flow velocity of the fluid from which the energy is to be obtained is variable, such. B. in wind currents or tidal currents.
  • the drive train is understood in particular to be the components which, by circulating a rotor with fluid, transfer this power transmitted to it until it is transferred to the electricity grid.
  • the plant is used to extract energy from the Fluid flow and its conversion into electrical energy.
  • the powertrain comprises in particular a superposition gear, an optionally motor or generator operating control machine, a variable speed drive coupled to the control machine, a generator and according to the invention a controllable braking device, in a branching between the input branch and the output branch, such as in a control branch or additional brake branch , is arranged.
  • the superposition gear has an input branch connecting the rotor to the superposition gear, an output branch connecting the synchronous generator to the superposition gear and a control branch connecting the control machine to the superposition gear.
  • the superposition gear comprises an input shaft as part of the input branch, an output shaft as part of the output branch and a control shaft as part of the control branch.
  • the rotor comprises a rotor shaft as part of the input branch
  • the synchronous generator comprises a synchronous generator shaft as part of the output branch
  • the control machine comprises a control machine shaft as part of the control branch.
  • the control branch may have an intermediate gear, a clutch or a shaft-hub connection, via which the control shaft may be connected to the control machine shaft.
  • the control shaft forms the Regelmaschinenwelle.
  • the control shaft and the control shaft may in particular be coupled so that they rotate at the same speed.
  • the control machine may be permanently coupled to the superposition gearing.
  • the superposition gear may have an input shaft as part of the input branch and the rotor may have a rotor shaft as part of the input branch.
  • the input shaft and rotor shaft may be coupled to rotate at the same speed.
  • the input branch has a clutch and / or an intermediate gear which is arranged between the rotor shaft and the input shaft.
  • the intermediate gear is adjusted, a relatively low speed of the fluidumströmten rotor, such as. B. between 10 and 20 1 / min to a high speed, such. B. 300-1500, in particular 300-800 or 1000-1500 1 / min high.
  • the superposition gearing comprises an output shaft as part of the output branch and the synchronous generator comprises a synchronous generator shaft as part of the output branch.
  • an intermediate gear, a clutch or a shaft connection can be arranged between the superposition gear and the synchronous generator.
  • the output shaft forms the synchronous generator shaft.
  • the output shaft and synchronous generator shaft may be connected to rotate at the same speed.
  • Input branch, output branch and control branch are thus to be understood as sub-branches of the drive train.
  • the input branch is designed so that it can lead the taken by means of the rotor from the fluid flow power to the transmission gear, preferably under speed increase, such as. B. by means of an intermediate gear.
  • the rule machine is arranged in the rule branch.
  • the superposition gear is adapted to deliver power to the control machine or to absorb power from the control machine. If power is delivered to the control machine, the control machine works as a generator. If power is absorbed by the control machine, the control machine works by motor. Depending on the speed and operating mode, the transmission ratio between the input and the output branch or the input and output shaft changes.
  • the control machine can be a motor generator that absorbs mechanical energy in the form of rotation and delivers it as electrical energy (generator operation) or absorbs electrical energy and delivers it as mechanical energy in the form of rotation (engine operation).
  • all types of Three-phase machines such as the aforementioned asynchronous squirrel cage machine, suitable as a rule machine.
  • the frequency converter is electrically coupled to the control machine and converts depending on the speed of the control machine varying frequency of the voltage in a synchronous with the power supply network frequency or voltage.
  • the arranged in the output branch, in particular coupled to the power supply network or coupled generator is advantageously an AC generator, in particular a synchronous, asynchronous or reluctance machine, and / or can be coupled directly into the network to be supplied.
  • a self-excited synchronous generator is advantageous.
  • the synchronous generator has the advantage that on the one hand it is inexpensive and has a high degree of network compatibility (reactive power control etc.), so that it can be coupled directly to the power network to be supplied. However, this requires that the synchronous generator be operated at a constant generator speed. To z. For example, to achieve the mains frequency of 50 hertz, a synchronous generator with the usual number of poles of 2 must be operated at a synchronous speed of exactly 1500 1 / min.
  • the varying input speed can be set in a constant output speed, namely the speed at which the generator must be operated.
  • the drive train preferably has a control and / or regulating device which determines the rotational speeds and / or the powers of the input shafts, the output shafts and the control shaft and / or controls the control machine accordingly to keep the speed of the generator constant or / and the Required input speed of the rotor according to the wind speed to the output speed or mains frequency to regulate.
  • the drivetrain is characterized in that it has in a branched off between the input branch and the output branch, in particular a brake branch, a control branch or a control brake branch, a braking device adapted to withdraw power from the powertrain, if that of the Superposition gear to the control machine output power greater than the rated power of the control machine or the frequency converter.
  • the braking device in the branching branch preferably does not remove the power train, or only insignificantly, ie negligible power.
  • the brake branch at the operating point of the control branch with zero speed can act as a holding brake.
  • certain components of the drivetrain such as e.g. the control machine and / or the frequency converter, are designed for lower rated power. As a result, these components are cheaper, which increases the yield of the system with such a drive train.
  • the full load range i. if so much power is fed into the drive train via the rotor that the generator in the output branch is driven at its rated power, sufficient energy will be due to the fluid, e.g. Wind, so that an efficiency consideration does not come to fruition.
  • the invention thus proposed provides a reduced power flow in the control branch via the control machine and the frequency converter and the power flow in the output branch is always dominant, so that a reactive power control can take place primarily or only via the synchronous generator, whereby the quality of the power supply is improved.
  • the drive train comprises the superposition gearing with a control branch, which has a three-phase machine (motor and generator operation) with frequency converter and a controllable brake, and an alternator directly coupled into the network.
  • a control branch which has a three-phase machine (motor and generator operation) with frequency converter and a controllable brake, and an alternator directly coupled into the network.
  • control machine for a rated power less than 20%, 15%, 10%, 6% or 5% of the rated power of the synchronous generator or over the input branch can be to the superposition gear guided power (input power).
  • the control machine in comparison, in the conventional arrangement, ie without brake, the control machine must be designed for> 20% or even more of the input power of the input branch.
  • the drive train may have a control and / or regulating device, which controls the braking device of the branch branch (control and / or brake branch) to withdraw power to the drive train when the output from the superposition gear to the control machine power greater than that Rated power of the control machine or the frequency converter is.
  • the control and / or regulating device is adapted so that it controls the braking device so that the power train in the branching branch withdraws so much power that the control machine works with its and / or the frequency converter with its rated power.
  • the braking device can be controlled so that it brakes during startup or startup of the system or the drive train when the system or the drive train by means of wind rotor, in particular by means of the withdrawn from the wind rotor from the fluid flow energy, or powered up.
  • a support torque is advantageously provided.
  • the braking device can, for. B. a mechanical brake such. As a disc brake or a retarder or a fluid coupling, a Hydrostaten (hydrostatic pump / motor eg with throttle in the fluid circuit) or an electric brake such. As an electrical resistance or an eddy current brake, etc.
  • the braking device may be an electrical load, in particular an electrical resistance, which is connected or switched between the frequency converter and the regulating machine.
  • the electrical resistance can be changed in a simple manner.
  • the electrical load or resistance can z. B. adjusted by means of the control and / or regulating device, in particular switched on or off.
  • the braking device is achieved that the Frequency converter can be designed for a lower rated power than the control machine.
  • the brake branch may additionally be provided, in particular to the input branch, the output branch and the control branch.
  • Output branch and control branch can be arranged to each other in a fixed or variable transmission ratio.
  • mechanical brakes or eddy current brakes are particularly preferred.
  • the braking device is, as already mentioned, preferably for adjusting its braking power, d. H. the power that is removed from the drive train, controlled by a control and / or regulating device.
  • the braking device may be connected to the corresponding branch by means of a clutch which, when the brake is not needed, decouples the brake from the corresponding branch to e.g. B. to avoid friction losses despite open brake.
  • the synchronous generator are adapted for an output voltage or mains supply voltage which corresponds to the voltage of the power network to be supplied.
  • transformers can be saved, which have a high efficiency but still a certain loss.
  • the output voltage are also designed in the medium voltage range, in particular between 1 kV and 75 kV, more preferably between 10 kV and 35 kV.
  • the superposition gear can only one or at least a single transmission, such. B. comprise two or three individual transmission.
  • the superposition gear may include one or more planetary stages. Several planetary stages can z. B. with each other be interconnected. Particularly preferred is a wind turbine comprising such a drive train.
  • control branch and / or the control machine are permanently coupled to the superposition gearing, in particular in all operating points.
  • the braking device is preferably in the full load range, d. H. when the control machine operates as a generator, coupled to the superposition gear, such. B. by activating the brake and / or by closing the optional clutch.
  • the braking device preferably operates only for a short time, since then by the pitch adjustment (adjustment of the angle of attack of the rotor blades) on the wind rotor, the power taken from the wind and delivered to the input branch is limited.
  • the braking device or the brake branch is used only for delivery or withdrawal of power from the drive train and is preferably only temporarily switched on (clutch) when the rated power of the control machine is exceeded in the control branch. In other words, the excess power is destroyed by the braking device.
  • the brake branch can act as a holding brake in quasistatic states at the operating point of the control branch at zero speed.
  • the braking device is deactivated when the control machine operates by motor, in particular by deactivating the brake or particularly preferably by opening the optional clutch.
  • the method for operating a plant for recovering energy from a fluid flow uses a drive train as described above, which is why preferably also applies to the method described above.
  • the drive train comprises: a superimposition gear having an input branch, an output branch and a control branch, wherein power taken from the fluid flow via the input branch is fed to the superposition gearbox,
  • the transmission ratio between the input branch and the output branch is changed or changed.
  • the transmission ratio is or will be during the current operation, in particular during the power supply operation, in which the network to be supplied with
  • Power is supplied, changed or changed or changed according to the present wind speed and the resulting optimum speed of the rotor and the present network frequency and the required speed (rated speed of the generator) of the particular grid-connected generator.
  • the method is characterized in that the drive train by means of the braking device, which is arranged in a branching between the input branch and the output branch in particular from the superposition gear branch (eg, control branch, brake branch or control brake branch), power is withdrawn when the of Transmission gearbox output to the control machine output is greater than the rated power of the control machine or the frequency converter.
  • the power train in the branching branch is deprived of so much power by means of the braking device that the control machine or the frequency converter operates at its rated power. This will cause the controller and / or the frequency converter not to be overloaded, but still operate at their rated power. In other words, the powertrain is deprived of excess power.
  • the power train by means of the braking device additional power is withdrawn if the guided over the input branch to the superposition gear power greater than the sum of the rated power of the control machine and the nominal power of the synchronous generator or greater than the sum of the rated power of the frequency converter and the rated power of the synchronous generator is.
  • the braking device is preferably controlled so that the drive train accordingly much, ie as stated above, power is withdrawn.
  • the control and / or regulating device can also be the control machine to control, in particular in their speed and / or direction of rotation control.
  • the control machine can be controlled so that it works as a generator or motor.
  • the control machine is controlled so that it operates as a generator in the full load range and in the partial load range, ie when the generator of the output branch is operated below its rated power, works predominantly by motor.
  • control machine can be controlled so that it works predominantly as a generator, when the input speed is above the rated speed of the rotor (basic speed), and predominantly works motor when the input speed is far below the rated speed of the rotor (basic speed).
  • basic speed reference is made to P. Caselitz.
  • a variable input rotational speed can be transmitted from the input branch to a constant output rotational speed to the synchronous generator.
  • the power taken from the fluid flow is adjusted, in particular reduced, when the control machine operates above its rated power and / or the braking device removes power from the drive train.
  • the braking device can withdraw energy from the drive train if the power delivered by the superposition gear to the control machine power is greater than 10%, preferably greater than 5% of the above Input branch is supplied to the superposition gearbox performance.
  • Figure 2a shows the circuit diagram of a drive train according to the invention
  • Figure 2b shows the circuit diagram of the drive train of Figure 2a with a modification
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a drive train according to the invention
  • FIG. 4 shows yet another embodiment of a drive train according to the invention
  • Figure 5 shows a further embodiment of a drive train according to the invention, which is based on the combination of the drive trains of Figures 3 and 4;
  • Figure 7 is a performance diagram for a wind turbine
  • Figure 8 is a performance diagram for the rotor of a wind turbine
  • Figure 9 is a performance diagram for the drive train of Figure 1.
  • FIG. 10 a shows a performance diagram for a drive train according to the invention
  • FIG. 10b shows a section from the performance diagram from FIG. 10a.
  • FIGS. 2 a, 2 b, 3, 4 and 5 are a development of the drive train shown in FIG. 1, such as Caselitz et al. suggest.
  • Like reference numerals designate like parts.
  • the drive train 1 includes a superposition gear 10, from which an input branch 11, an output branch 12 and a control branch 13 branches off.
  • the input branch 11 connects a rotor 50 with the superposition gear 10, so that a power absorbed via the rotor 50 to the superposition gear 10 in the form of a rotational movement to be led.
  • the rotor 50 comprises rotor blades, which are preferably adjustable by means of a pitch adjustment, ie the angle of attack of the rotor blades with respect to the wind flow is adjustable, whereby the buoyancy of the rotor blades and thus the torque and the power taken from the air flow power is adjustable within certain limits.
  • the input branch 11, a step-up gear 60 (Step Up gear), which sets the speed of the rotor 50 and its rotor shaft high, so that the input shaft 11 of the superposition gear 10 rotates at a higher speed than the rotor 50.
  • Step Up gear As Hochsetzgetriebe 60 are z. B. one planetary stage or more successively connected planetary stages. By increasing the speed, the torque to be distributed by the superposition gear 10 is reduced with constant power flow.
  • the output branch 12 connects the superposition gear 10 with a three-phase machine, preferably a synchronous generator 30, which is or in the examples shown and advantageous directly coupled to the grid, resulting in a high efficiency.
  • An optional between mains and synchronous generator 30 switched inverter, such. B. frequency converter and / or transformer would generate additional losses, whereby the efficiency between synchronous generator 30 and the network would be reduced.
  • the line frequency should be 50 hertz.
  • the generator 30 has the usual number of pole pairs of 2
  • the synchronous generator 30 must be driven at 1500 1 / min.
  • the speed of the output branch 12 must be kept constant even if the rotational speed of the rotor or the input branch 11 changes or that the rotational speed of the input branch 1 1 is controlled in accordance with the wind speed for the wind rotor 50 so that they the required speed of the output branch 12 corresponds.
  • the drive train 1 a control machine 20 in the form of a motor-generator, which is connected via the control branch 13 with the superposition gear 10.
  • the control machine 20 If the rotor 50 rotates below its rated speed, the control machine 20 is operated by a motor. Increases the rotational speed of the rotor 50 or is it full load range, the control machine 20 is operated predominantly as a generator, by the superposition gear 10 outputs power over the control branch 13 to the control machine 20. Since the speed of the control machine varies with the speed of the rotor 50, a frequency converter 40 is connected between the control machine 20 and the network, which converts this variable frequency of the feed-in control machine 20 into the network to be supplied. If the rotational speed of the rotor 50 drops and the drive train 1 operates in the partial load range, the control machine 20 is predominantly motor-driven, ie, operated with power from the network, so that the control machine 20 delivers power to the superposition gear 10.
  • the direction of rotation of the control machine in motor operation is reversed to the direction of rotation of the control machine 20 in generator mode. Due to the motor operation of the control machine 20, the rotational speed of the synchronous generator 30 can be maintained at a constant level despite the decrease in the rotational speed of the rotor.
  • the drive train 1 from FIGS. 2a to 5 additionally has a brake 70 in the control branch 13, 14, which can remove power from the drive train 1.
  • the power train is deprived of power by means of the braking device when the power output from the superposition gear 10 to the control machine 20 is greater than the rated power of the control machine 20 or the frequency converter 40.
  • the brake 70 causes a power limitation when z. B. over the rotor 50 in the full load range too high power is performed in the superposition gear 10, to the extent that the drive train 1 by means of the braking device 70 so much power is withdrawn that the control machine 20 or the frequency converter 40 operates at its rated power.
  • the control machine 20 and the frequency converter 40 can interpret in relation to the synchronous generator 30 with a very low power rating, such. B. less than 5% or 6% of the rated power of the synchronous generator 30, whereby the overall efficiency of the system increases, reduces the cost of the system and the Stromeinspeisequalified in the network can be improved.
  • the brake 70 is connected via a brake train 14 with the superposition gear 10 in the control branch 13.
  • the brake branch 14 is preferably connected to the control branch 13 at a fixed transmission ratio.
  • the brake branch 14 can therefore be regarded as belonging to the control branch 13 from a kinematic point of view.
  • the brake 70 may preferably be supported on the machine frame.
  • the brake 70 is permanently connected via the brake train 14 with the superposition gear 10.
  • This solution is inexpensive because no expensive components such.
  • a clutch 71 in the brake branch 14 must be included. Depending on the design of the brake 70, however, this can generate low frictional forces and thus power losses in the unbraked state, whereby the efficiency of the drive train 1 decreases.
  • a clutch 71 is contained in the variant of FIG. 2a in the brake branch 14, which clutch can completely switch off the brake 70 when the brake 70 is not required or during normal operation of the control machine 20. This makes it possible to achieve the efficiency of the system or the drive train 1 increase.
  • the brake 70 is connected in the control branch 13.
  • the control branch 13 simultaneously forms the brake branch 14.
  • the brake 70 may, for. B.
  • a clutch 71 is connected in the brake branch 14 between control machine 20 and brake 70, which can switch off the brake 70 as in the example of FIG. 2a.
  • the clutch 71 is optional, so that the control machine 20 may be connected to the brake 70 without a clutch.
  • FIG. 4 shows a braking device 70 in the form of a variable electrical resistance, which can be switched into the regulating branch 13, namely between the frequency converter 40 and the regulating machine 20. This ensures that at least the frequency converter 40 can be designed with a low nominal power. The Difference between the rated power of the control machine and the frequency converter can be withdrawn with the braking device 70 and the electrical resistance. Accordingly, the electrical resistance is designed.
  • FIG. 5 shows a drive train 1 with two brake devices 70a, 70b, wherein the brake device 70a corresponds to the brake device 70 shown in FIG. 4 and the brake device 70b corresponds to the brake device 70 shown in FIG. 3, but without a clutch 71.
  • the combination of these brakes 70a , 70b, the advantages of a mechanical brake 70b can be combined with the advantages of an electric brake 70a.
  • the brake 70b can optionally be arranged as indicated for the brake 70 of FIGS. 2a and 2b.
  • Embodiments of a superposition gear 10 for the drive train from FIGS. 2a and 2b are shown in FIGS. 6a to 6e.
  • FIG. 6b shows a further embodiment of a superposition gearing (10) which has a first sun gear 101 connected in a rotationally fixed manner to an input shaft 11 and a second sun gear 201 connected in a rotationally fixed manner to the output shaft 12. At least one first planetary gear 102, which is non-rotatably connected to a second planetary gear 202, which meshes with the second sun gear 201, meshes with the first sun gear 101.
  • the first planetary gear 102 and the second planetary gear 202 are rotatably disposed on the planetary carrier 15, which has outer teeth 15a on its outer periphery, in which a gear of the output branch 13 and a gear 19 of the brake branch 14a engage, these gears being in a fixed gear ratio , This creates a superposition gear, which is also referred to as a plus gear.
  • Figure 6c shows a superposition gear 10, the ring gear 18 is connected in particular rotatably on the ring gear housing with the input branch or the input shaft.
  • the output branch 12 or the output shaft is connected to the sun gear 17 in particular rotationally fixed.
  • the planet gears 16 are rotatably disposed on the planet carrier 15, which is rotatably supported on the output shaft. Over the circumference of the planet carrier 15, an outer toothing 15a is formed, in which engage the gear of the control branch 13 and the gear 19 of the brake branch 14. This also results in a fixed transmission ratio between the control branch 13 and the brake branch 14.
  • FIG. 6a With regard to the design of the brake branch 14, reference is made to FIG. 6a.
  • the superposition gear 10 of Figure 6d has a sun gear 17, which is in particular rotatably connected to the input branch 11 or the input shaft.
  • the ring gear 18 is in particular rotatably connected via the ring gear housing with the output branch 12 or the output shaft.
  • the planet carrier 15, which can optionally be rotatably supported on the input shaft, and rotatably supports the planet gears 16, has an outer toothing 15a over its circumference. With this external toothing 15a mesh the gear of the control branch 13 and the gear 19 of the brake branch 14. This also results in a fixed ratio between the control branch 13 and the brake branch 14.
  • Figure 6a For the design of the brake arm 14 reference is made to Figure 6a.
  • the superposition gearing of Figure 6e has a sun gear 17, which is in particular rotatably connected to the input branch 11 or the input shaft.
  • the planet carrier 15, which rotatably supports the planet gears 16, is in particular non-rotatably connected to the output branch 12 or the output shaft.
  • the ring gear 18, whose ring gear can optionally be rotatably supported on the input shaft or the output shaft, has on its outer periphery a toothing 18 a, with which the gear of the control branch 13 and the Gear 19 of the brake branch 14 mesh, resulting in a fixed ratio between the control branch 13 and the brake branch 14 results.
  • FIG. 6a In the performance diagram of a wind turbine of FIG.
  • the dashed curve indicates the maximum wind power as a function of the wind speed.
  • the solid curve shows the power output by the generator of the output branch.
  • the output power depends in particular on the wind speed and the pitch angle (angle of attack) of the rotor blades.
  • the pitch angle is changed by means of pitch adjustment so that the wind rotor only uses part of the maximum possible wind yield.
  • the pitch angle were optimal in the full load range, ie for maximum power output, the power consumption would follow the parabolic dashed line.
  • the deviation between the dashed and the solid line in the partial load range results in particular by power losses in the drive train.
  • the adjustment of the pitch is a system that has a sluggish control behavior.
  • the rotor blades can be up to 70 m long in the current state of the art, which leads to overshoots in the rated power due to the time lag occurring in the control behavior.
  • the braking device proposed according to the invention is advantageous, which is controlled or regulated very quickly and in a timely manner by means of the control circuit.
  • the performance diagram of Figure 8 shows the graph for the power consumed by the wind rotor.
  • the power increases with increasing speed of the rotor.
  • the power increases, with the speed of the rotor remains constant.
  • the power increases again with increasing speed of the rotor.
  • the wind rotor is operated in the third section in the full load range and in the first and second sections in the partial load range.
  • the rule machine is operated primarily in the first section by motor and in the third section predominantly as a generator. Since the speed of the rotor in the second range of its rated speed or Basic speed can correspond, the control machine can stand idiosyncratically, the control machine works in practice in the second area to compensate for speed fluctuations.
  • the braking device in the branching branch in particular the braking or regulating branch, can function as a holding brake.
  • FIG. 9 shows the performance diagram of a conventional wind turbine as shown in FIG.
  • the power consumed by the generator of the output branch is indicated by the long dashed line.
  • the power absorbed by the control engine or delivered power of the control branch is indicated by the short dashed line.
  • the output power of the input branch from the rotor is indicated by the solid line.
  • the indicated speeds are given quantitatively for the input branch.
  • the speeds for the control branch and the output branch are given only qualitatively.
  • the power in the output branch corresponds to the sum of the powers of the input branch and the control branch (losses of the superimposed gearbox included).
  • the control machine has to convert almost 1000 kW of power into electrical energy at a speed of 1500 rpm, which corresponds to approximately 28% of the power of the synchronous machine of the output branch and approximately 25% of the power of the input branch ,
  • FIGS. 10a and 10b show the effect of the braking device according to the invention. Since, as indicated in FIG. 9, in full-load operation the dissipated power in the control branch 13 would increase with increasing input rotational speed and would have to be converted into electrical energy by the control machine 20, a power limitation for the control machine 20 is achieved by the braking, so that this increases despite increasing power absorbed power of the rotor 50 is operated at its rated power or not above its rated power. The power which exceeds the rated power of the control machine 20 is degraded by the braking device 70, such as converted into heat.
  • the effect of the braking device 70 is shown in FIG. 10 by the dot-dash line Phl at the end of the graph Phl + Ph2 for the control branch.
  • the difference between the Graph Phl (rated power of the control machine) and the graph Phl + Ph2 (power in the control branch) is the power which is withdrawn by the braking device according to the invention the drive train in the control branch (or brake branch).
  • the rated power of the control machine in this example is approximately ⁇ 5% of the nominal power of the synchronous generator.
  • the wind turbine thus operates in the part-load and full-load range with good efficiency. Furthermore, power generation with high efficiencies is possible in the partial load range.
  • design of the drive train may be present in the partial load range, a motorized operation of the control machine.
  • the power generated by the control machine can be less than 5% of the input power, creating a maximum overall efficiency, especially in the partial load range is generated.
  • control branch 13 a smaller motor generator (control machine 20) and frequency converter 40 and transformer 40 can be used. In particular, these components may be ⁇ 5% below the rated power of the wind turbine, ie the expected input power.
  • variable-speed drive train enables a significant reduction in material and installation space volume.
  • reactive power control can be done by the three-phase synchronous generator, in particular without additional additional units.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wobei die Anlage einen Antriebsstrang (1) aufweist, der umfasst: ein Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (13), wobei über den Eingangszweig (11) aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe (10) geführt wird, eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine (20) in dem Regelzweig (13), einen mit der Regelmaschine (20) gekoppelten Frequenzumrichter (40) und einen Generator (30) in dem Ausgangszweig (12), wobei mittels der Regelmaschine (20) das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12) veränderbar ist, wobei dem Antriebsstrang (1) mittels einer Bremseinrichtung (70), die in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig abzweigenden Zweig angeordnet ist, Leistung entzogen wird, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine (20) oder des Frequenzumrichters (40) ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wie z. B. ein Verfahren zum Betrieb einer Wind- oder Wasserkraftanlage. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, insbesondere einen Antriebsstrang einer solchen oder für eine solche Anlage.
Aus dem Artikel "Drehzahlvariable Windkraftanlagen mit elektrisch geregeltem Überlagerungsgetriebe" von P. Caselitz et al, DEWEK 92 Seiten 171-175, wird ein Konzept für den drehzahlvariablen Betrieb von Windkraftanlagen vorgestellt. Im Gegensatz zu gebräuchlichen Konzepten wird dabei die Drehzahlvariabilität nicht im elektrischen Teil, sondern im mechanischen Teil der Anlage realisiert. Kernstück der Anlage ist ein Überlagerungsgetriebe, das neben einer ersten und zweiten Welle eine dritte Welle aufweist, über die das Drehzahlverhältnis zwischen Rotor und Generator variiert werden kann. Auf diese Weise kann trotz veränderlicher Rotordrehzahl die Generatordrehzahl konstant gehalten werden. Dies ermöglicht den Einsatz eines direkt netzgekoppelten Synchrongenerators, der ein hohes Maß an Netzverträglichkeit aufweist. Zwischen den Wellen des idealen Überlagerungsgetriebes aus Figur 1 besteht die Drehzahlbeziehung
Figure imgf000003_0001
wobei ii und i2 konstruktive Parameter (Übersetzungsverhältnisse) und COR die Rotordrehzahl oder einer Eingangswelle, coc die Regelwellendrehzahl und CÜG die Generatordrehzahl oder die Ausgangswellendrehzahl bezeichnen. Zum Antrieb der Regelwelle oder des Regelzweigs des Überlagerungsgetriebes wird in der Regel ein elektrischer Antrieb eingesetzt. Die Verwendung einer stromrichtergespeisten Asynchronmaschine mit Käfigläufer wird von Caselitz et al. vorgeschlagen.
Caselitz definiert eine Grunddrehzahl, die in Fachkreisen auch als Nenndrehzahl des Rotors oder der Rotorwelle bezeichnet wird, bei der coc = 0 ist, woraus sich folgende Beziehung ergibt:
• CO, GO
Die Grunddrehzahl CORO hängt ausschließlich von dem Ubersetzungsverhältnis ii und von der Generatordrehzahl CÜGO, wie z. B. 1500 1/min, ab. Die Leistung an der Regelwelle lässt sich als Funktion der Rotordrehzahl in folgender Form darstellen:
PC = PR (1 - ^)
wobei Pc die Leistung an der Regelwelle und PR die Leistung an der Rotorwelle oder Eingangswelle ist. Für die Generatorleistung gilt:
p _ p ω 0
G R
0)R
Liegt die Rotordrehzahl über der Grunddrehzahl, arbeitet die Regelmaschine generatorisch. Liegt sie unter der Grunddrehzahl, arbeitet die Regelmaschine motorisch. Zum weiteren technischen Verständnis wird auf den Artikel von P. Caselitz et al. verwiesen. Um eine Windkraftanlage auszulegen, wird an dem gewünschten Standort die durchschnittliche Windgeschwindigkeit ermittelt. Für diese Windgeschwindigkeit wird die Anlage ausgelegt. Da im Betrieb solcher Anlagen die Windgeschwindigkeit selbstverständlich nicht konstant ist und auch teilweise mit böigem Wind zu rechnen ist, wird bei der Anlage, wie sie P. Caselitz vorschlägt, die Regelmaschine, nämlich der Motor-Generator so stark ausgelegt, dass er Überbelastungen, wie sie durch böigen Wind entstehen, in elektrische Energie umwandelt und dem Stromnetz über einen Frequenzumrichter zuführt. Der Spielraum für nicht stationäre oder dynamische Drehzahlabweichungen muss genügend groß bleiben. Es hat sich herausgestellt, dass die Regelmaschine mit einer Nennleistung ausgelegt werden muss, die größer als 20% der an der Rotorwelle anliegenden, d. h. zu dem Übertragungsgetriebe zu- bzw. abgeführten Leistung entspricht. Dies führt zu mehreren Effekten. Der Frequenzumrichter und die Drehstrommaschine, über den die Regelmaschine Strom in das Stromnetz speist bzw. bekommt, muss ebenfalls für höhere Nennleistungen ausgelegt sein, wodurch sich der Wirkungsgrad verringert und der Preis der Anlage erhöht. Außerdem ist der Anteil der abgeführten Leistung über den Frequenzumrichter in das Netz verhältnismäßig hoch, wodurch die Stromeinspeisequalität (durch Flicker, Harmonische, Spannungsniveau, Blindleistung) leidet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung und ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage anzugeben, bei welcher der Gesamtwirkungsgrad erhöht und die Kosten reduziert werden, wobei gleichzeitig die Stromeinspeisequalität verbessert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung aus Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterentwicklungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Die Erfindung geht von einem Antriebsstrang für eine Anlage zur Gewinnung von elektrischer Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, aus. Bei der Anlage kann es sich um ein Wind- oder Wasserkraftwerk handeln. Der Antriebsstrang lässt sich überall dort einsetzen, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, aus dem die Energie gewonnen werden soll, variabel ist, wie z. B. bei Windströmungen oder Gezeitenströmungen. Als Antriebsstrang werden insbesondere die Komponenten verstanden, welche durch Umströmung eines Rotors mit Fluid auf diesen übertragene Leistung bis zu einer Übergabe an das Elektrizitätsnetz übertragen. Die Anlage dient zur Gewinnung von Energie aus der Fluidströmung und deren Umwandlung in elektrische Energie. Der Antriebsstrang umfasst insbesondere ein Überlagerungsgetriebe, eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine, einen mit der Regelmaschine gekoppelten Frequenzumrichter, einen Generator und erfindungsgemäß eine regelbare Bremseinrichtung, die in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig abzweigenden Zweig, wie z.B. in einem Regelzweig oder zusätzlichen Bremszweig, angeordnet ist.
Das Überlagerungsgetriebe weist einen Eingangszweig, der den Rotor mit dem Überlagerungsgetriebe verbindet, einen Ausgangszweig, der den Synchrongenerator mit dem Überlagerungsgetriebe verbindet und einen Regelzweig, der die Regelmaschine mit dem Überlagerungsgetriebe verbindet, auf. Das Überlagerungsgetriebe umfasst eine Eingangswelle als Teil des Eingangszweigs, eine Ausgangswelle als Teil des Ausgangszweigs und eine Regelwelle als Teil des Regelzweigs. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle als Teil des Eingangszweigs, der Synchrongenerator umfasst eine Synchrongeneratorwelle als Teil des Ausgangszweigs und die Regelmaschine umfasst eine Regelmaschinenwelle als Teil des Regelzweigs.
Der Regelzweig kann ein Zwischengetriebe, eine Kupplung oder eine Welle-Nabe- Verbindung aufweisen, über die die Regelwelle mit der Regelmaschinenwelle verbunden sein kann. Wenngleich praktisch weniger bevorzugt, ist es durchaus denkbar, dass die Regelwelle die Regelmaschinenwelle bildet. Die Regelwelle und die Regelmaschinenwelle können insbesondere so gekoppelt sein, dass sie sich mit der gleichen Drehzahl drehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Regelmaschine mit dem Überlagerungsgetriebe permanent gekoppelt sein.
Das Überlagerungsgetriebe kann eine Eingangswelle als Teil des Eingangszweigs und der Rotor kann eine Rotorwelle als Teil des Eingangszweigs aufweisen. Wenngleich weniger bevorzugt, können Eingangswelle und Rotorwelle so gekoppelt sein, dass sie mit der gleichen Drehzahl drehen. Bevorzugt ist jedoch, dass der Eingangszweig eine Kupplung und/oder ein Zwischengetriebe aufweist, welche(s) zwischen der Rotorwelle und der Eingangswelle angeordnet ist. Das Zwischengetriebe ist angepasst, eine verhältnismäßig niedrige Drehzahl des von dem fluidumströmten Rotors, wie z. B. zwischen 10 und 20 1/min auf eine hohe Drehzahl, wie z. B. 300-1500, insbesondere 300-800 oder 1000-1500 1/min hoch zu setzen.
Das Überlagerungsgetriebe umfasst eine Ausgangswelle als Teil des Ausgangszweigs und der Synchrongenerator umfasst eine Synchrongeneratorwelle als Teil des Ausgangszweigs. Zwischen dem Überlagerungsgetriebe und dem Synchrongenerator kann ein Zwischengetriebe, eine Kupplung oder eine Wellenverbindung angeordnet sein. Grundsätzlich ist der Fall denkbar, dass die Ausgangswelle die Synchrongeneratorwelle bildet. Ausgangswelle und Synchrongeneratorwelle können insbesondere so verbunden sein, dass sie mit der gleichen Drehzahl drehen.
Eingangszweig, Ausgangszweig und Regelzweig sind somit als Teilzweige des Antriebsstrangs zu verstehen. Der Eingangszweig ist so ausgestaltet, dass er die mittels des Rotors aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Übertragungsgetriebe führen kann, vorzugsweise unter Drehzahlerhöhung, wie z. B. mittels eines Zwischengetriebes.
Der Zusammenhang zwischen den Drehzahlen der drei Wellen des Überlagerungsgetriebes lässt sich insbesondere nach der eingangs genannten Formel ii COR - i2 coc - CÜG = 0 zusammenfassen. Insbesondere ist mittels der Regelmaschine das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig, insbesondere zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle veränderbar.
Die Regelmaschine ist in dem Regelzweig angeordnet. Das Überlagerungsgetriebe ist angepasst, Leistung an die Regelmaschine abzugeben oder von der Regelmaschine Leistung aufzunehmen. Wird Leistung an die Regelmaschine abgegeben, arbeitet die Regelmaschine generatorisch. Wird Leistung von der Regelmaschine aufgenommen, arbeitet die Regelmaschine motorisch. Je nach Drehzahl und Betriebsart ändert sich das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangszweig bzw. der Eingangs- und Ausgangswelle. Die Regelmaschine kann insbesondere ein Motor-Generator sein, der mechanische Energie in Form von Rotation aufnimmt und als elektrische Energie abgibt (Generatorbetrieb) oder elektrische Energie aufnimmt und als mechanische Energie in Form von Rotation abgibt (Motorbetrieb). Prinzipiell sind alle Arten von Drehstrommaschinen, wie z.B. auch die eingangs genannte Asynchronmaschine mit Käfigläufer, als Regelmaschine geeignet.
Der Frequenzumrichter ist mit der Regelmaschine elektrisch gekoppelt und wandelt die abhängig von der Drehzahl der Regelmaschine variierende Frequenz der Spannung in eine mit dem zu versorgenden Stromnetz synchrone Frequenz bzw. Spannung um.
Der im Ausgangszweig angeordnete, insbesondere an das zu versorgende Stromnetz gekoppelte oder koppelbare Generator ist vorteilhaft ein Drehstromgenerator, insbesondere eine Synchron-, Asynchron- oder Reluktanzmaschine, und/oder kann direkt in das zu versorgende Netz gekoppelt sein. Besonders vorteilhaft ist ein selbsterregter Synchrongenerator. Der Synchrongenerator hat den Vorteil, dass er einerseits preiswert ist und ein hohes Maß an Netzverträglichkeit (Blindleistungsregelung etc.) aufweist, so dass er direkt an das zu versorgende Stromnetz gekoppelt werden kann. Dies erfordert jedoch, dass der Synchrongenerator mit einer konstanten Generatordrehzahl betrieben wird. Um z. B. die Netzfrequenz von 50 Hertz zu erreichen, muss ein Synchrongenerator mit der üblichen Polzahl von 2 eine Synchrondrehzahl von exakt 1500 1/min betrieben werden.
Mit Hilfe des Überlagerungsgetriebes und der Regelmaschine lässt sich die variierende Eingangsdrehzahl in eine konstante Ausgangsdrehzahl, nämlich die Drehzahl, mit der der Generator betrieben werden muss, einstellen. Der Antriebsstrang weist vorzugsweise eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung auf, welche die Drehzahlen und/oder die Leistungen der Eingangswellen, der Ausgangswellen und der Regelwelle ermittelt und/oder die Regelmaschine entsprechend ansteuert, um die Drehzahl des Generators konstant zu halten oder/und die erforderliche Eingangsdrehzahl des Rotors entsprechend der Windgeschwindigkeit zur Ausgangsdrehzahl bzw. Netzfrequenz zu regeln.
Der Antriebsstrang zeichnet sich dadurch aus, dass er in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig abzweigenden Zweig, insbesondere einem Bremszweig, einem Regelzweig oder einem Regel-Bremszweig, eine Bremseinrichtung aufweist, die angepasst ist, dem Antriebsstrang Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist. Wenn die von dem Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine hin abgegebene Leistung kleiner als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist, entzieht die Bremseinrichtung in dem abzweigenden Zweig dem Antriebsstrang vorzugsweise keine oder nur unwesentlich, d. h. vernachlässigbar Leistung. Weiterhin kann der Bremszweig im Arbeitspunkt des Regelzweiges mit Drehzahl gleich Null als Haltebremse fungieren.
Je nach Anordnung der Bremseinrichtung in dem abzweigenden Zweig können bestimmte Komponenten des Antriebsstrangs, wie z.B. die Regelmaschine oder/und der Frequenzumrichter, für geringere Nennleistungen ausgelegt werden. Dadurch werden diese Komponenten billiger, wodurch der Ertrag der Anlage mit einem solchen Antriebsstrang steigt. Im Volllastbereich, d.h. wenn über den Rotor soviel Leistung in den Antriebsstrang geführt wird, dass der Generator im Ausgangszweig mit seiner Nennleistung angetrieben wird, liegt eine ausreichende Energie durch das Fluid, wie z.B. Wind, vor so dass eine Wirkungsgradbetrachtung nicht zum Tragen kommt. Die Situationen, in denen z. B. durch Windböen oder kurzzeitige höhere Windgeschwindigkeiten in den Regelzweig eine die Nennleistung der Regelmaschine übersteigende Leistung geleitet wird, sind temporäre Vorgänge, die nach bestimmten Zeiteinheiten durch den Pitch des Rotors ausgesteuert werden und führen zu keiner Einbuße im Ertrag der Windturbine beitragen. Durch die somit vorgeschlagene Erfindung liegt ein verringerter Leistungsfluss im Regelzweig über die Regelmaschine und den Frequenzumrichter vor und der Leistungsfluss im Ausgangszweig ist stets dominant, so dass eine Blindleistungsregelung vorrangig bzw. nur über den Synchrongenerator erfolgen kann, wodurch die Qualität der Stromeinspeisung verbessert wird.
In bevorzugten Weiterbildungen umfasst der Antriebsstrang das Überlagerungsgetriebe mit einem Regelzweig, der eine Drehstrommaschine (motorischer und generatorischer Betrieb) mit Frequenzumrichter und einer regelbaren Bremse aufweist, und einen direkt ins Netz gekoppelten Drehstromgenerator.
Durch die Erfindung wird vorteilhaft erreicht, dass die Regelmaschine für eine Nennleistung kleiner 20%, 15%, 10%, 6% oder 5% der Nennleistung des Synchrongenerators oder der über den Eingangszweig zum Überlagerungsgetriebe geleiteten Leistung (Eingangsleistung) sein kann. Im Vergleich dazu muss die Regelmaschine bei der herkömmlichen Anordnung, d. h. ohne Bremse, für >20% oder noch mehr der Eingangsleistung des Eingangszweigs ausgelegt sein.
Bevorzugt kann der Antriebsstrang eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung aufweisen, welche die Bremseinrichtung des abzweigenden Zweigs (Regel- oder/und Bremszweig) ansteuert, um dem Antriebsstrang Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist. Insbesondere ist die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung so angepasst, dass sie die Bremseinrichtung so ansteuert, dass diese dem Antriebsstrang in dem abzweigenden Zweig so viel Leistung entzieht, dass die Regelmaschine mit ihrer oder/und der Frequenzumrichter mit seiner Nennleistung arbeitet.
Beispielsweise kann die Bremseinrichtung so angesteuert werden, dass sie während des An- oder Hochfahrens der Anlage oder des Antriebsstrangs bremst, wenn die Anlage oder der Antriebsstrang mittels Windrotor, insbesondere mittels der vom dem Windrotor aus der Fluidströmung entzogenen Energie, an- oder hochgefahren wird. Hierdurch wird vorteilhaft ein Abstützmoment bereitgestellt.
Die Bremseinrichtung kann z. B. eine mechanische Bremse, wie z. B. eine Scheibenbremse oder ein Retarder oder eine Fluidkupplung, einen Hydrostaten (hydrostatische Pumpe/Motor z. B. mit Drossel im Fluidkreislauf) oder eine elektrische Bremse, wie z. B. ein elektrischer Widerstand oder eine Wirbelstrombremse etc. sein.
In bevorzugten Ausführungen kann die Bremseinrichtung ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein elektrischer Widerstand sein, der zwischen den Frequenzumrichter und die Regelmaschine geschaltet ist oder geschaltet wird. Der elektrische Widerstand kann auf einfache Weise veränderbar ist. Der elektrische Verbraucher oder Widerstand kann z. B. mittels der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung verstellt, insbesondere zu oder weggeschaltet werden. Durch diese Anordnung der Bremseinrichtung wird erreicht, dass der Frequenzumrichter für eine geringere Nennleistung als die Regelmaschine ausgelegt werden kann.
Beispielsweise kann der Bremszweig zusätzlich, insbesondere zu dem Eingangszweig, dem Ausgangszweig und dem Regelzweig, vorgesehen sein. Dies bewirkt ebenfalls, dass der Frequenzumrichter und die Regelmaschine für geringere Nennleistungen ausgelegt werden können. Ausgangszweig und Regelzweig können zueinander in einem festen oder variablen Übersetzungsverhältnis angeordnet sein. Für die in dem Regelzweig oder dem Bremszweig angeordnete Bremseinrichtung sind mechanische Bremsen oder Wirbelstrombremsen besonders bevorzugt. Die Bremseinrichtung wird, wie bereits erwähnt, vorzugsweise zum Einstellen ihrer Bremsleistung, d. h. der Leistung, die dem Antriebsstrang entzogen wird, von einer Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung angesteuert.
Optional kann die Bremseinrichtung in den entsprechenden Zweig mittels einer Kupplung geschaltet sein, die, wenn die Bremse nicht benötigt wird, die Bremse von dem entsprechenden Zweig entkoppelt, um z. B. Reibungsverluste trotz geöffneter Bremse zu vermeiden.
Um den Wirkungsgrad noch weiter zu verbessern, ist es bevorzugt, dass der Synchrongenerator für eine Ausgangsspannung oder Netzeinspeisespannung angepasst sind, die der Spannung des zu versorgenden Stromnetzes entspricht. Hierdurch können Transformatoren eingespart werden, die zwar einen hohen Wirkungsgrad aber dennoch einen gewissen Verlust haben. Da die zu speisenden Stromnetze oftmals im Mittelspannungsbereich arbeiten, ist es bevorzugt, dass die Ausgangsspannung ebenfalls im Mittelspannungsbereich, insbesondere zwischen 1 kV und 75 kV, besonders bevorzugt zwischen 10 kV und 35 kV ausgelegt sind. Das Überlagerungsgetriebe kann nur ein oder mindestens ein Einzelgetriebe, wie z. B. zwei oder drei Einzelgetriebe umfassen. Beispielsweise kann das Überlagerungsgetriebe eine oder mehrere Planetenstufen umfassen. Mehrere Planetenstufen können z. B. miteinander verschaltet sein. Besonders bevorzugt ist es eine Windkraftanlage, welche einen solchen Antriebsstrang umfasst.
In bevorzugten Ausführungen sind der Regelzweig und/oder die Regelmaschine permanent mit dem Überlagerungsgetriebe, insbesondere in allen Betriebspunkten eingekoppelt. Die Bremseinrichtung ist vorzugsweise im Volllastbereich, d. h. wenn die Regelmaschine generatorisch arbeitet, an das Überlagerungsgetriebe eingekoppelt, wie z. B. durch Aktivieren der Bremse und/oder durch Schließen der optional vorhandenen Kupplung. Die Bremseinrichtung arbeitet vorzugsweise nur kurzzeitig, da dann durch die Pitchverstellung (Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter) am Windrotor, die aus dem Wind entnommene und an den Eingangszweig abgegebene Leistung eingegrenzt wird. Die Bremseinrichtung oder der Bremszweig dient lediglich zur Abgabe bzw. zum Entzug von Leistung aus dem Antriebsstrang und wird vorzugsweise nur temporär zugeschaltet (Kupplung), wenn die Nennleistung der Regelmaschine im Regelzweig überschritten wird. Mit anderen Worten wird die überschüssige Leistung durch die Bremseinrichtung vernichtet. Weiterhin kann der Bremszweig bei quasistatischen Zuständen im Arbeitspunkt des Regelzweiges mit Drehzahl gleich Null als Haltebremse fungieren.
Besonders bevorzugt ist, dass die Bremseinrichtung deaktiviert ist, wenn die Regelmaschine motorisch arbeitet, insbesondere durch Deaktivieren der Bremse oder besonders bevorzugt durch Öffnen der optional vorhandenen Kupplung.
Das Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wie z. B. Wind- oder Gezeitenströmung, nutzt einen Antriebsstrang wie er oben beschrieben ist, weshalb bevorzugt auch das oben beschriebene für das Verfahren gilt. Insbesondere umfasst der Antriebsstrang: ein Überlagerungsgetriebe mit einem Eingangszweig, einem Ausgangszweig und einem Regelzweig, wobei über den Eingangszweig aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe geführt wird,
- eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine in dem Regelzweig,
einen mit der Regelmaschine gekoppelten Frequenzumrichter und einen Synchrongenerator in dem Ausgangszweig,
wobei mittels der Regelmaschine das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig veränderbar ist oder verändert wird. Mittels der Regelmaschine ist oder wird das Übersetzungsverhältnis während des laufenden Betriebs, insbesondere während des Stromlieferbetriebs, bei dem das zu versorgende Netz mit
Strom versorgt wird, veränderbar oder verändert oder entsprechend der vorliegenden Windgeschwindigkeit und der daraus resultierenden optimalen Drehzahl des Rotors und der vorliegenden Netzfrequenz und der erforderlichen Drehzahl (Nenndrehzahl des Generators) des insbesondere netzgekoppelten Generators verändert.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass dem Antriebsstrang mittels der Bremseinrichtung, die in einem zwischen dem Eingangszweig und dem Ausgangszweig insbesondere von dem Überlagerungsgetriebe abzweigenden Zweig (z.B. Regelzweig, Bremszweig oder Regel-Bremszweig) angeordnet ist, Leistung entzogen wird, wenn die von dem Übertragungsgetriebe zu der Regelmaschine hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine oder des Frequenzumrichters ist. Bevorzugt wird dem Antriebsstrang in dem abzweigenden Zweig mittels der Bremseinrichtung so viel Leistung entzogen, dass die Regelmaschine oder der Frequenzumrichter mit seiner Nennleistung arbeitet. Dadurch wird bewirkt, dass die Regelmaschine und/oder der Frequenzumrichter nicht überbelastet werden, aber dennoch mit ihrer Nennleistung arbeiten. Mit anderen Worten, wird dem Antriebsstrang überschüssige Leistung entzogen.
Insbesondere wird dem Antriebsstrang mittels der Bremseinrichtung zusätzliche Leistung entzogen, wenn die über den Eingangszweig zu dem Überlagerungsgetriebe geführte Leistung größer als die Summe aus der Nennleistung der Regelmaschine und der Nennleistung des Synchrongenerators oder größer als die Summe aus der Nennleistung des Frequenzumrichters und der Nennleistung des Synchrongenerators ist.
Mittels einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung wird die Bremseinrichtung bevorzugt so angesteuert, dass dem Antriebsstrang entsprechend viel, d. h. wie oben angegeben, Leistung entzogen wird. Mit der Steuerungs- und/oder Regeleinrichtung lässt sich die Bremsleistung entsprechend steuern. Mit einer oder mit der Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung lässt sich auch die Regelmaschine ansteuern, insbesondere in ihrer Drehzahl und/oder Drehrichtung steuern. Insbesondere kann die Regelmaschine so angesteuert werden, dass sie generatorisch oder motorisch arbeitet. Bevorzugt wird die Regelmaschine so angesteuert, dass sie im Volllastbereich generatorisch arbeitet und im Teillastbereich, d.h. wenn der Generator des Ausgangszweigs unterhalb seiner Nennleistung betrieben wird, überwiegend motorisch arbeitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Regelmaschine so angesteuert werden, dass sie überwiegend generatorisch arbeitet, wenn die Eingangsdrehzahl über der Nenndrehzahl des Rotors (Grunddrehzahl) ist, und überwiegend motorisch arbeitet, wenn die Eingangsdrehzahl weit unterhalb der Nenndrehzahl des Rotors (Grunddrehzahl) ist. Hinsichtlich der Grunddrehzahl wird auf P. Caselitz verwiesen.
Insbesondere lässt sich mittels des Überlagerungsgetriebes eine variable Eingangsdrehzahl aus dem Eingangszweig zu einer konstanten Ausgangsdrehzahl zu dem Synchrongenerator hin übertragen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird mittels einer Leistungssteuerung, insbesondere einer Pitchverstellung des Rotors, die aus der Fluidströmung entnommene Leistung eingestellt, insbesondere verringert, wenn die Regelmaschine über ihrer Nennleistung arbeitet oder/und die Bremseinrichtung dem Antriebsstrang Leistung entzieht. Dadurch lässt sich erreichen, dass beim Übergang von böigem Wind, bei dem jeweils nur kurzzeitig Leistungsspitzen auftreten, zu Starkwind, bei dem dauerhaft eine erhöhte Leistung auftritt, oder beim Anstieg der Windgeschwindigkeit über die Nennwindgeschwindigkeit die Bremseinrichtung mittels Verstellung des Pitchs des Rotors entlastet wird. Entsprechend kann bei sich verringerndem Wind, der ein dauerhaftes Absinken der Leistung im Regelzweig unter die Nennleistung der Regelmaschine bewirkt, wieder verstellt werden, um die Leistung im Regelzweig wieder in etwa auf die Nennleistung der Regelmaschine anzuheben. In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann die Bremseinrichtung dem Antriebsstrang Energie entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe zu der Regelmaschine abgegebene Leistung größer als 10%, bevorzugt größer als 5% der über den Eingangszweig zu dem Überlagerungsgetriebe herangeführte Leistung ist. Diese Prozentangaben sind selbstverständlich ca. -Werte und können im Einzelfall leicht darüber liegen. Die Erfindung wurde anhand mehrerer Ausführungen für die Vorrichtung und das Verfahren beschrieben. Im Folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungen der Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die dabei offenbarten Merkmale bilden die Erfindung vorteilhaft weiter. Es zeigen: Figur 1 Schaltbild eines Antriebsstrangs aus dem Stand der Technik;
Figur 2a das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
Figur 2b das Schaltbild des Antriebsstrangs aus Figur 2a mit einer Abwandlung;
Figur 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs;
Figur 4 noch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs; Figur 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, die auf der Kombination der Antriebsstränge aus den Figuren 3 und 4 beruht;
Figuren 6a-e verschiedene Ausführungsformen eines Überlagerungsgetriebes für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang;
Figur 7 ein Leistungsdiagramm für eine Windturbine;
Figur 8 ein Leistungsdiagramm für den Rotor einer Windturbine;
Figur 9 ein Leistungsdiagramm für den Antriebsstrang aus Figur 1 ; und
Figur 10a ein Leistungsdiagramm für einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang
Figur 10b einen Ausschnitt aus dem Leistungsdiagramm aus Figur 10a.
Die in den Figuren 2a, 2b, 3, 4 und 5 gezeigten Antriebstränge sind eine Weiterbildung des in Figur 1 gezeigten Antriebsstrangs wie ihn Caselitz et al. vorschlagen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile.
Der Antriebsstrang 1 umfasst ein Überlagerungsgetriebe 10, von dem ein Eingangszweig 11, ein Ausgangszweig 12 und ein Regelzweig 13 abzweigt. Der Eingangszweig 11 verbindet einen Rotor 50 mit dem Überlagerungsgetriebe 10, so dass eine über den Rotor 50 aufgenommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe 10 in Form einer Drehbewegung geführt wird. Der Rotor 50 umfasst Rotorblätter, die vorzugsweise mittels einer Pitchverstellung verstellbar sind, d. h. der Anstellwinkel der Rotorblätter in Bezug auf die Windströmung ist verstellbar, wodurch der Auftrieb der Rotorblätter und somit das Drehmoment und die aus der Luftströmung entnommene Leistung in gewissen Grenzen verstellbar ist.
Bei den Ausführungen aus den Figuren 2a bis 5 weist der Eingangszweig 11 ein Hochsetzgetriebe 60 (Step Up Getriebe) auf, welches die Drehzahl des Rotors 50 und seiner Rotorwelle hoch setzt, so dass sich die Eingangswelle 11 des Überlagerungsgetriebes 10 mit einer höheren Drehzahl dreht als der Rotor 50. Als Hochsetzgetriebe 60 eignen sich z. B. eine Planetenstufe oder mehrere hintereinander geschaltete Planetenstufen. Durch das Hochsetzen der Drehzahl wird das Drehmoment, welches von dem Überlagerungsgetriebe 10 verteilt werden muss, bei konstantem Leistungsfluss, verringert. Der Ausgangszweig 12 verbindet das Überlagerungsgetriebe 10 mit einer Drehstrommaschine, vorzugsweise einem Synchrongenerator 30, die oder der in den gezeigten Beispielen und vorteilhaft direkt netzgekoppelt ist, wodurch sich ein hoher Wirkungsgrad ergibt. Ein optional zwischen Netz und Synchrongenerator 30 geschalteter Umrichter, wie z. B. Frequenzumrichter und/oder Transformator würde zusätzliche Verluste erzeugen, wodurch der Wirkungsgrad zwischen Synchrongenerator 30 und dem Netz verringert werden würde.
In dem gezeigten Beispiel soll die Netzfrequenz 50 Hertz betragen. Angenommen der Generator 30 besitzt die übliche Polpaarzahl von 2, ergibt sich, dass der Synchrongenerator 30 mit 1500 1/min angetrieben werden muss. Hieraus ergibt sich, dass die Drehzahl des Ausgangszweigs 12 auch dann konstant gehalten werden muss, wenn sich die Drehzahl des Rotors bzw. des Eingangszweigs 11 ändert oder dass die Drehzahl des Eingangszweiges 1 1 entsprechend der Windgeschwindigkeit für den Windrotor 50 so geregelt wird, das sie der erforderlichen Drehzahl des Ausgangszweiges 12 entspricht. Hierzu weist der Antriebsstrang 1 eine Regelmaschine 20 in der Gestalt eines Motor-Generators auf, der über den Regelzweig 13 mit dem Überlagerungsgetriebe 10 verbunden ist. Durch Veränderung der Drehzahl und/oder der Drehrichtung der Regelmaschine 20 lässt sich das Übersetzungsverhältnis vom Eingangszweig 11 zu dem Ausgangszweig 12 einstellen. Dreht der Rotor 50 unterhalb seiner Nenndrehzahl, wird die Regelmaschine 20 motorisch betrieben. Erhöht sich die Drehzahl des Rotors 50 bzw. liegt sie Volllastbereich, wird die Regelmaschine 20 überwiegend generatorisch betrieben, indem das Überlagerungsgetriebe 10 Leistung über den Regelzweig 13 an die Regelmaschine 20 abgibt. Da die Drehzahl der Regelmaschine mit der Drehzahl des Rotors 50 variiert, ist zwischen Regelmaschine 20 und Netz ein Frequenzumrichter 40 geschaltet, der diese veränderliche Frequenz der Regelmaschine 20 für die Einspeisung in das zu versorgende Netz umrichtet. Sinkt die Drehzahl des Rotors 50 und arbeitet der Antriebsstrang 1 im Teillastbereich, wird die Regelmaschine 20 überwiegend motorisch, d. h. mit Strom aus dem Netz betrieben, so dass die Regelmaschine 20 Leistung an das Überlagerungsgetriebe 10 abgibt. Die Drehrichtung der Regelmaschine im motorischen Betrieb ist umgekehrt zu der Drehrichtung der Regelmaschine 20 im generatorischen Betrieb. Durch den motorischen Betrieb der Regelmaschine 20 lässt sich trotz Absinken der Drehgeschwindigkeit des Rotors die Drehzahl des Synchrongenerators 30 auf konstantem Niveau halten.
Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten und in Figur 1 dargestellten Lösung weist der Antriebsstrang 1 aus den Figuren 2a bis 5 zusätzlich eine Bremse 70 im Regelzweig 13, 14 auf, welche dem Antriebsstrang 1 Leistung entziehen kann. Nach der Erfindung wird dem Antriebsstrang mittels der Bremseinrichtung Leistung entzogen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe 10 zu der Regelmaschine 20 hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine 20 oder des Frequenzumrichters 40 ist. Die Bremse 70 bewirkt eine Leistungsbegrenzung, wenn z. B. über den Rotor 50 eine im Volllastbereich zu hohe Leistung in das Überlagerungsgetriebe 10 geführt wird, in dem Maße, dass dem Antriebsstrang 1 mittels der Bremseinrichtung 70 so viel Leistung entzogen wird, dass die Regelmaschine 20 oder der Frequenzumrichter 40 mit seiner Nennleistung arbeitet. Durch die Maßnahme lassen sich die Regelmaschine 20 und der Frequenzumrichter 40 im Verhältnis zum Synchrongenerator 30 mit einer sehr niedrigen Nennleistung auslegen, wie z. B. geringer als 5% oder 6% der Nennleistung des Synchrongenerators 30, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht, die Kosten der Anlage reduziert und die Stromeinspeisequalität in das Netz verbessert werden. In den Figuren 2a und 2b ist die Bremse 70 über einen Bremsstrang 14 mit dem Überlagerungsgetriebe 10 im Regelzweig 13 verbunden. Bevorzugt ist der Bremszweig 14 mit einem festen Übersetzungsverhältnis mit dem Regelzweig 13 verbunden. Der Bremszweig 14 kann daher aus kinematischer Hinsicht zu dem Regelzweig 13 gehörig angesehen werden. Die Bremse 70 kann sich vorzugsweise an dem Maschinengestell abstützen.
In Figur 2b ist die Bremse 70 permanent über den Bremsstrang 14 mit dem Überlagerungsgetriebe 10 verbunden. Diese Lösung ist kostengünstig, weil keine teuren Bauteile wie z. B. eine Kupplung 71 im Bremszweig 14 enthalten sein müssen. Je nach Ausgestaltung der Bremse 70 kann diese jedoch im ungebremsten Zustand geringe Reibungskräfte und somit Verlustleistungen erzeugen, wodurch der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs 1 sinkt. Um dies zu verhindern, ist in der Variante aus Figur 2a im Bremszweig 14 eine Kupplung 71 enthalten, welche die Bremse 70 vollständig wegschalten kann, wenn die Bremse 70 nicht benötigt wird oder im motorischen Betrieb der Regelmaschine 20. Dadurch lässt sich der Wirkungsgrad der Anlage bzw. des Antriebsstrangs 1 erhöhen. In Figur 3 ist die Bremse 70 in den Regelzweig 13 geschaltet. Der Regelzweig 13 bildet gleichzeitig den Bremszweig 14. Die Bremse 70 kann z. B. zwischen die Regelmaschine 20 und das Überlagerungsgetriebe 10 geschaltet sein oder, wie hier gezeigt, kann die Regelmaschine 20 zwischen die Bremse 70 und das Überlagerungsgetriebe 10 geschaltet sein. In dem gezeigten Beispiel ist in dem Bremszweig 14 zwischen Regelmaschine 20 und Bremse 70 eine Kupplung 71 geschaltet, die wie in dem Beispiel aus Figur 2a die Bremse 70 wegschalten kann. Die Kupplung 71 ist optional, so dass die Regelmaschine 20 auch ohne Kupplung mit der Bremse 70 verbunden sein kann.
In Figur 4 wird eine Bremseinrichtung 70 in der Gestalt eines veränderbaren elektrischen Widerstands gezeigt, der in den Regelzweig 13, nämlich zwischen den Frequenzumrichter 40 und die Regelmaschine 20 geschaltet werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass zumindest der Frequenzumrichter 40 mit einer niedrigen Nennleistung ausgelegt werden kann. Die Differenz zwischen der Nennleistung der Regelmaschine und des Frequenzumrichters kann mit der Bremseinrichtung 70 bzw. dem elektrischen Widerstand entzogen werden. Dementsprechend ist der elektrische Widerstand ausgelegt. In Figur 5 wird ein Antriebsstrang 1 mit zwei Bremseinrichtungen 70a, 70b gezeigt, wobei die Bremseinrichtung 70a der in Figur 4 gezeigten Bremseinrichtung 70 und die Bremseinrichtung 70b der in Figur 3 gezeigten Bremseinrichtung 70 entspricht, allerdings ohne Kupplung 71. Durch die Kombination dieser Bremsen 70a, 70b lassen sich die Vorteile einer mechanischen Bremse 70b mit den Vorteilen einer elektrischen Bremse 70a kombinieren. Bei der Ausführung aus Figur 5 lässt sich die Bremse 70b optional so anordnen, wie für die Bremse 70 aus den Figuren 2a und 2b angegeben ist.
In den Figuren 6a bis 6e werden Ausführungen eines Überlagerungsgetriebes 10 für den Antriebsstrang aus den Figuren 2a und 2b gezeigt.
In Figur 6a ist der Eingangszweig 11 bzw. die Eingangswelle mit dem Planetenträger 15, an dem die Planetenräder 16 drehbar gelagert sind, insbesondere drehfest verbunden. Das Sonnenrad 17 ist insbesondere drehfest mit dem Ausgangszweig 12 oder der Ausgangswelle verbunden. Das Hohlrad 18 ist fest mit einem Hohlradgehäuse verbunden, welches sich drehbar an der Ausgangswelle abstützt. Über den Außenumfang des Hohlradgehäuses ist eine Verzahnung 18a angebracht, mit der ein Zahnrad des Regelzweigs 13 kämmt. Mit dieser Verzahnung 18a des Hohlradgehäuses kämmt auch ein Zahnrad 19 des Bremszweigs 14, wobei die Bremse 70 und die Kupplung 71 über den Bremszweig 14 mit dem Zahnrad 19 verbunden sind. Dadurch, dass das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14 in die gleiche Verzahnung 18a eingreifen, ergibt sich ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Bremszweig 14 und dem Regelzweig 13.
Figur 6b zeigt eine weitere Ausführungsform eines Überlagerungsgetriebes (10), das ein drehfest mit einer Eingangswelle 11 verbundenes erstes Sonnenrad 101 und ein drehfest mit der Ausgangswelle 12 verbundenes zweites Sonnenrad 201 aufweist. Mit dem ersten Sonnenrad 101 kämmt mindestens ein erstes Planetenrad 102, welches drehfest mit einem zweiten Planetenrad 202, das mit dem zweiten Sonnenrad 201 kämmt, verbunden ist. Das erste Planetenrad 102 und das zweite Planetenrad 202 sind drehbar an dem Planetenträger 15 angeordnet, der über seinen Außenumfang eine Außenverzahnung 15a aufweist, in welche ein Zahnrad des Ausgangszweigs 13 und ein Zahnrad 19 des Bremszweigs 14a eingreift, wobei diese Zahnräder in einem festen Übersetzungsverhältnis zueinander stehen. Hierdurch entsteht ein Überlagerungsgetriebe, welches auch als Plusgetriebe bezeichnet wird.
Figur 6c zeigt ein Überlagerungsgetriebe 10, dessen Hohlrad 18 über das Hohlradgehäuse mit dem Eingangszweig oder der Eingangswelle insbesondere drehfest verbunden ist. Der Ausgangszweig 12 oder die Ausgangswelle ist mit dem Sonnenrad 17 insbesondere drehfest verbunden. Die Planetenräder 16 sind drehbar an dem Planetenträger 15 angeordnet, das sich drehbar an der Ausgangswelle abstützt. Über den Umfang des Planetenträgers 15 ist eine Außenverzahnung 15a gebildet, in welche das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14 eingreifen. Hierdurch ergibt sich ebenfalls ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Regelzweig 13 und dem Bremszweig 14. Bezüglich der Ausgestaltung des Bremszweigs 14 wird auf Figur 6a verwiesen.
Das Überlagerungsgetriebe 10 aus Figur 6d weist ein Sonnenrad 17 auf, welches insbesondere drehfest mit dem Eingangszweig 11 oder der Eingangswelle verbunden ist. Das Hohlrad 18 ist über das Hohlradgehäuse insbesondere drehfest mit dem Ausgangszweig 12 oder der Ausgangswelle verbunden. Der Planetenträger 15, der sich optional drehbar an der Eingangswelle abstützen kann, und der die Planetenräder 16 drehbar lagert, weist über seinen Umfang eine Außenverzahnung 15a auf. Mit dieser Außenverzahnung 15a kämmen das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14. Hierdurch ergibt sich ebenfalls ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Regelzweig 13 und dem Bremszweig 14. Für die Ausgestaltung des Bremszweigs 14 wird auf Figur 6a verwiesen.
Das Überlagerungsgetriebe aus Figur 6e weist ein Sonnenrad 17 auf, welches insbesondere drehfest mit dem Eingangszweig 11 oder der Eingangswelle verbunden ist. Der Planetenträger 15, der die Planetenräder 16 drehbar lagert, ist insbesondere drehfest mit dem Ausgangszweig 12 oder der Ausgangswelle verbunden. Das Hohlrad 18, dessen Hohlradgehäuse sich optional an der Eingangswelle oder der Ausgangswelle drehbar abstützen kann, weist über seinen Außenumfang eine Verzahnung 18a auf, mit dem das Zahnrad des Regelzweigs 13 und das Zahnrad 19 des Bremszweigs 14 kämmen, wodurch sich ein festes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Regelzweig 13 und dem Bremszweig 14 ergibt. Für die Ausgestaltung des Bremszweigs 14 wird auf Figur 6a verwiesen. In dem Leistungsdiagramm einer Windturbine aus Figur 7 wird mit der gestrichelten Kurve die maximale Windleistung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit angegeben. Mit der durchgezogenen Kurve wird die von dem Generator des Ausgangszweigs abgegebene Leistung dargestellt. Die abgegebene Leistung hängt insbesondere von der Windgeschwindigkeit und dem Pitchwinkel (Anstellwinkel) der Rotorblätter ab. Im Teillastbereich, in dem der Windrotor eine Leistung unterhalb seiner Nennleistung aufnimmt, sind die Rotorblätter mit ihrem optimalen Pitchwinkel angestellt, so dass die Leistungsausbeute aus dem Wind maximal ist. Im Volllastbereich, in dem der Windrotor seine Nennleistung aufnimmt, wird der Pitchwinkel mittels Pitchverstellung so verändert, dass der Windrotor nur einen Teil der maximal möglichen Windausbeute nutzt. Wenn der Pitchwinkel im Volllastbereich optimal, d.h. für maximale Leistungsausbeute angestellt wäre, würde die Leistungsaufnahme der parabolischen gestrichelten Linie folgen. Die Abweichung zwischen der gestrichelten und der durchgezogenen Linie im Teillastbereich ergibt sich insbesondere durch Verlustleistungen im Antriebsstrang. Die Verstellung des Pitch ist ein System, welches ein träges Regelverhalten hat. Die Rotorblätter können nach dem derzeitigen Stand der Technik bis zu 70 m lang sein, wodurch es zu Überschwingern bei der Nennleistung durch das im Zeitversatz eintretende Regelverhalten kommt. Aus diesem Grund ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Bremseinrichtung vorteilhaft, die mittels des Regelkreises sehr schnell und zeitadäquat gesteuert bzw. geregelt wird. Das Leistungsdiagramm aus Figur 8 zeigt den Graphen für die von dem Windrotor aufgenommene Leistung. In einem ersten Abschnitt steigt die Leistung mit zunehmender Drehzahl des Rotors. In einem zweiten Abschnitt steigt die Leistung, wobei die Drehzahl des Rotors konstant bleibt. In einem dritten Abschnitt steigt die Leistung wieder mit zunehmender Drehzahl des Rotors. Der Windrotor wird im dritten Abschnitt im Volllastbereich und in den ersten und zweiten Abschnitten im Teillastbereich betrieben. Die Regelmaschine wird im ersten Abschnitt vorwiegend motorisch und im dritten Abschnitt vorwiegend generatorisch betrieben. Da die Drehzahl des Rotors im zweiten Bereich dessen Nenndrehzahl oder Grunddrehzahl entsprechen kann, kann die Regelmaschine idealisiert stillstehen, wobei die Regelmaschine in der Praxis auch im zweiten Bereich arbeitet, um Drehzahlschwankungen auszugleichen. In diesem quasistatischen Zustand kann die Bremseinrichtung in dem abzweigenden Zweig, insbesondere dem Brems- oder Regelzweig, als Haltebremse fungieren.
Figur 9 zeigt das Leistungsdiagramm einer herkömmlichen Windkraftanlage, wie sie in Figur 1 dargestellt ist. Die von dem Generator des Ausgangszweigs aufgenommene Leistung ist mit der lang gestrichelten Linie angegeben. Die von der Regelmaschine aufgenommene bzw. abgegebene Leistung des Regelzweigs ist mit der kurz gestrichelten Linie angegeben. Die von dem Rotor abgegebene Leistung des Eingangszweigs ist mit der durchgezogenen Linie angegeben. Die angegebenen Drehzahlen sind quantitativ für den Eingangszweig angegeben. Die Drehzahlen für den Regelzweig und den Ausgangszweig sind lediglich qualitativ angegeben. Die Leistung im Ausgangszweig entspricht der Summe aus den Leistungen des Eingangszweigs und des Regelzweigs (Verluste der Überlagerungsgetriebes eingerechnet). Bei einer Eingangsleistung von knapp 4000 kW steigt die Drehzahl des Eingangszweigs oder der Eingangswelle, wodurch ein Volllastbetrieb stattfindet und der Regelzweig ebenfalls generatorisch angetrieben wird und Leistung aufnimmt. Wie aus dem Diagramm aus Figur 9 ersichtlich, muss die Regelmaschine bei einer Drehzahl von 1500 1/min knapp 1000 kW Leistung in elektrische Energie umwandeln, was in etwa 28% der Leistung der Synchronmaschine des Ausgangszweigs und ca. 25% der Leistung des Eingangszweigs entspricht.
Aus den Figuren 10a und 10b ist der Effekt der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung ersichtlich. Da, wie in Figur 9 angegeben, im Volllastbetrieb die abgeführte Leistung im Regelzweig 13 mit zunehmender Antriebsdrehzahl steigen würde und von der Regelmaschine 20 in elektrische Energie umgewandelt werden müsste, wird durch die Bremsung eine Leistungsbegrenzung für die Regelmaschine 20 erreicht, so dass diese trotz steigender aufgenommener Leistung des Rotors 50 mit ihrer Nennleistung oder nicht über ihrer Nennleistung betrieben wird. Die Leistung, welche die Nennleistung der Regelmaschine 20 übersteigt, wird durch die Bremseinrichtung 70 abgebaut, wie z.B. in Wärme umgewandelt. Der Effekt der Bremseinrichtung 70 wird in Figur 10 durch die strichpunktierte Linie Phl am Ende des Graphen Phl+Ph2 für den Regelzweig gezeigt. Die Differenz zwischen dem Graphen Phl (Nennleistung der Regelmaschine) und dem Graphen Phl+Ph2 (Leistung im Regelzweig) ist die Leistung, welche durch die erfindungsgemäße Bremseinrichtung dem Antriebsstrang im Regelzweig (oder Bremszweig) entzogen wird. Die Nennleistung der Regelmaschine beträgt in diesem Beispiel in etwa < 5% der Nennleistung des Synchrongenerators.
Die Windturbine arbeitet somit im Teillast- und im Volllastbereich mit einem guten Wirkungsgrad. Ferner ist im Teillastbereich Energieerzeugung mit hohen Wirkungsgraden möglich. Durch Auslegung des Antriebsstrangs kann im Teillastbereich ein motorischer Betrieb der Regelmaschine vorliegen.
Durch die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
1. Wirkungsgrad und Ertrag
- Die von der Regelmaschine erzeugte Leistung kann kleiner 5% der Eingangsleistung sein, wodurch ein maximaler Gesamtwirkungsgrad, insbesondere im Teillastbereich erzeugt wird.
Indem alle Aggregate im Regelzweig 13 auf ein Minimum ausgelegt werden, verringern sich in diesem Leistungsfluss die Verlustleistungen der Aggregate, wodurch sich der Wirkungsgrad verbessert.
Im Volllastbereich steht genügend Energie zur Verfügung, so dass eine Wirkungsgradbetrachtung hier nicht von Bedeutung ist.
Im Volllastbereich kann es zu Böen oder kurzzeitigen Anstiegen der Windgeschwindigkeiten kommen, wobei es vorteilhaft ist, die Windturbine kurzzeitig zu schützen. Durch das Zuschalten einer geregelten temporären Bremse, insbesondere im
Bremszweig oder im Regelzweig wird die Sicherheit der Windturbine erhöht.
Der Einsatz von Drehstromgeneratoren auf Mittelspannungsebene (> 10 kV, > 34 kV) ermöglicht die Einsparung von Transformatoren von Niederspannungs- auf Mittelspannungsebene. Durch den Einsatz von Kabeln auf Mittelspannungsebene werden zusätzliche Verlustleistungen verringert.
2. Verringerung der Kosten Durch den niedrigen Leistungsfluss durch den Regelzweig 13 kann ein kleinerer Motor- Generator (Regelmaschine 20) und Frequenzumrichter 40 und Transformator 40 eingesetzt werden. Insbesondere können diese Komponenten < 5% unter der Nennleistung der Windturbine, d. h. der zu erwartenden Eingangsleistung liegen.
- Der Einsatz von Drehstromgeneratoren auf Mittelspannungsebene ermöglicht die Einsparung von Transformatoren von Niederspannungs- auf Mittelspannungsebene und verringert die Kosten durch Einsatz von Kabeln auf Mittelspannungsebene.
Der drehzahlvariable Antriebsstrang ermöglicht eine deutliche Reduzierung von Material und Bauraumvolumen.
- Der Einsatz von Standarddrehstrommotoren ist möglich.
Bei geeigneter Wahl einer Bremse kann ein Kaltstartvermögen durch gezielte Wärmeabfuhr durch die Bremse durch die vom Wind erzeugte mechanische Energie genutzt werden. 3. Verbesserung der Stromeinspeisequalität
Durch Einsatz von selbsterregten Drehstromsynchrongeneratoren kann die Blindleistungsregelung durch den Drehstromsynchrongenerator erfolgen, insbesondere ohne zusätzliche weitere Aggregate.
Durch den geringen Leistungsfluss durch den Regelzweig ist der Leistungsfluss im Ausgangszweig stets dominant, so dass eine Blindleistungsregelung nur über den
Drehstromgenerator (Synchrongenerator) erfolgt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, wobei die Anlage einen Antriebsstrang (1) aufweist, der umfasst:
a) ein Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (13), wobei über den Eingangszweig (11) aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe (10) geführt wird,
b) eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine (20) in dem Regelzweig (13),
c) einen mit der Regelmaschine (20) gekoppelten Frequenzumrichter (40) und d) einen Generator (30) in dem Ausgangszweig (12),
wobei mittels der Regelmaschine (20) das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12) veränderbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Antriebsstrang (1) mittels einer Bremseinrichtung (70), die in einem zwischen dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12) abzweigenden Zweig angeordnet ist, Leistung entzogen wird, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine (20) oder des Frequenzumrichters (40) ist.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antriebsstrang (1) mittels der Bremseinrichtung (70) soviel Leistung entzogen wird, dass die Regelmaschine (20) oder der Frequenzumrichter (40) insbesondere nur oder maximal mit seiner minimal ausgelegten Nennleistung arbeitet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Antriebsstrang (1) mittels der Bremseinrichtung (70) Leistung entzogen wird, wenn die über den Eingangszweig (11) zu dem Überlagerungsgetriebe (10) geführte Leistung größer als die Summe aus der Nennleistung der Regelmaschine (20) und der Nennleistung des Generators (30) oder größer als die Summe aus der Nennleistung des Frequenzumrichters (40) und der Nennleistung des Generators (30) ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) überwiegend generatorisch im Volllastbereich und überwiegend motorisch im Teillastbereich arbeitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Überlagerungsgetriebes (10) eine variable Eingangsdrehzahl aus dem Eingangszweig (11) zu einer konstanten Ausgangsdrehzahl (12) zu dem Generator (30) hin übertragen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (70) dem Antriebsstrang (1) Leistung entzieht, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als 10%, bevorzugt größer als 5% der über den Eingangszweig (11) zu dem Überlagerungsgetriebe (10) herangeführte Leistung ist.
7. Antriebsstrang (1) für eine Anlage zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung, insbesondere einer Luft- oder Wasserströmung, der Antriebsstrang (1) umfassend:
a) ein Überlagerungsgetriebe (10) mit einem Eingangszweig (11), einem Ausgangszweig (12) und einem Regelzweig (13), wobei über den Eingangszweig (11) aus der Fluidströmung entnommene Leistung an das Überlagerungsgetriebe (10) führbar ist,
b) eine wahlweise motorisch oder generatorisch arbeitende Regelmaschine (20) in dem Regelzweig (13),
c) einen mit der Regelmaschine (20) gekoppelten Frequenzumrichter (40) und d) einen Generator (30) in dem Ausgangszweig (12),
wobei mittels der Regelmaschine (20) das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12) veränderbar ist,
gekennzeichnet durch
eine Bremseinrichtung (70), die in einem zwischen dem Eingangszweig (11) und dem
Ausgangszweig (12) abzweigenden Zweig (13; 14) angeordnet und angepasst ist, dem Antriebsstrang (1) Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine (20) oder des Frequenzumrichters (40) ist.
8. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abzweigende Zweig über das Überlagerungsgetriebe (10) von dem Eingangszweig (11) und dem Ausgangszweig (12), oder von dem Überlagerungsgetriebe (10) abzweigt.
9. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der abzweigende Zweig der Regelzweig (13) insbesondere mit einem Bremszweig (14), oder ein von dem Regelzweig (13) separater Bremszweig (14) ist.
10. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (70) ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein elektrischer Widerstand (70a) ist, der zwischen den Frequenzumrichter (40) und die Regelmaschine (20) geschaltet ist oder wird.
11. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung, welche die Bremseinrichtung (70) ansteuert, um dem Antriebsstrang (1) Leistung zu entziehen, wenn die von dem Überlagerungsgetriebe (10) zu der Regelmaschine (20) hin abgegebene Leistung größer als die Nennleistung der Regelmaschine (20) oder des Frequenzumrichters (40) ist.
12. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremszweig (14) ein von dem Regelzweig (13) separater Zweig ist, der zusätzlich zu dem Regelzweig (13) von dem Überlagerungsgetriebe (10) abzweigt oder dass der Bremszweig (14) Teil des Regelzweigs (13) ist.
13. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) für eine Nennleistung kleiner oder gleich 10% oder 6% oder 5% der Nennleistung des Generators (30) ausgelegt ist.
14. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung im Mittelspannungsbereich, insbesondere zwischen 1 kV und 75 kV ausgelegt sind.
15. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung zwischen 10 kV und 35 kV ausgelegt sind.
16. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung zwischen 2 kV und 15 kV, 40kV und 75 kV ausgelegt sind.
17. Antriebsstrang (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmaschine (20) und/oder der Frequenzumrichter (40) und/oder der Generator (30) für eine Ausgangsspannung zwischen 40 kV und 75 kV ausgelegt sind.
18. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (30) eine Drehstrommaschine, insbesondere eine Synchron-, Asynchron- oder Reluktanzmaschine ist.
19. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (30) eine selbsterregte Synchronmaschine oder ein selbsterregter Synchrongenerator ist.
20. Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlagerungsgetriebe (10) mindestens ein Einzelgetriebe (100; 200) umfasst oder an dem Generator (30) oder in einem Hauptgetriebe gebildet ist.
21. Windkraftanlage umfassend einen Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 8 bis 20 oder bei der das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgeführt wird.
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