WO2020044323A1 - Windenergieanlage mit dämpfungseinrichtung für trudelbetrieb - Google Patents

Windenergieanlage mit dämpfungseinrichtung für trudelbetrieb Download PDF

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WO2020044323A1
WO2020044323A1 PCT/IB2019/057606 IB2019057606W WO2020044323A1 WO 2020044323 A1 WO2020044323 A1 WO 2020044323A1 IB 2019057606 W IB2019057606 W IB 2019057606W WO 2020044323 A1 WO2020044323 A1 WO 2020044323A1
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WO
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generator
wind
power
rotor
converter
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Application number
PCT/IB2019/057606
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heinz-Hermann Letas
Original Assignee
Senvion Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/10—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load
    • H02P9/105—Control effected upon generator excitation circuit to reduce harmful effects of overloads or transients, e.g. sudden application of load, sudden removal of load, sudden change of load for increasing the stability
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0296—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor to prevent, counteract or reduce noise emissions
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0085—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed
    • H02P21/0089—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed using field weakening
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind power plant with a drive train comprising a wind rotor, a generator driven by the drive train, which interacts with a converter for generating electrical power in normal operation, and a connection line for delivering the generated power to a network and a controller, which has a generator control and is designed to operate the wind turbine.
  • the wind rotor In a whirling operation, the wind rotor is unlocked and rotatable.
  • Wind turbines have different operating modes. Basically, these are at least two modes, firstly the so-called grid parallel operation, in which the wind turbine is fully active and produces and delivers power to the network, and secondly the non-activity mode, in which the wind turbine is completely inactive and possibly no network is available at all. Additional operating modes can optionally be provided, for example an operating mode for generating reactive power at standstill: the wind turbine does not produce any active power (i.e. this mode is in principle also available in the event of light wind or calm), but feeds reactive power into the grid via its converter. If the wind turbine is not in operation, the wind rotor regularly turns in low winds (below the switch-on speed of the wind turbine).
  • spin operation the wind turbine or the wind rotor spins.
  • the wind rotor rotates at a very low speed, which is significantly below the regular operating speeds, and thus also below the switch-on speed of the wind turbine.
  • This spin operation can occur when the grid is available, but can also occur when there is no grid available and the wind turbine can therefore not feed any power into the (non-existent) grid.
  • Spin operation is therefore not necessarily limited to low wind situations.
  • the spin mode can cause vibrations in the wind power plant and its components. These vibrations can be dangerous due to the resulting alternating stress and cause damage. In some cases, this can be countered by starting up the wind turbine (if the wind is sufficient for this). However, this presupposes that a network is available to which the electrical power generated can be dissipated; if this is not the case, this option is not available or so-called dumploads in the wind farm must be are provided to dissipate the electrical power generated.
  • this has two disadvantages. One disadvantage is that additional hardware is required to provide the dumpload. The other is that the vibrations in the spin mode not only result in periodically varied mechanical power, but also in undesirable power fluctuations in the electrical power.
  • the invention has for its object to achieve an improvement in the behavior of the Windener giestrom in spin mode, in particular to reduce harmful effects thereby arising vibrations.
  • a wall power plant with a mechanical drive train comprising a wind rotor, a generator driven by the mechanical drive train, which interacts with a converter for generating electrical power in normal operation and control, and a connecting line) for delivering the generated power to one Network
  • the controller has a generator control and is designed to operate the wind power plant, and wherein the wind rotor is unlocked and rotatable in a spin mode
  • an additional control for the spin mode is provided, which a detector device) for rotating the Wndrotors) with a speed below a switch-on speed, which actuates an oscillation damping device for the generator at a speed of the wind rotor below the switch-on speed, which shear the generator as a controlled damper for mechanical vibrations in the drive train ages.
  • the invention is based on the finding that the power generated during the operation of the wind turbine in the tumble mode, to be more precise to compensate and to reduce it. This is done by means of active electrical damping using the generator.
  • the invention makes use of the fact that with the spin mode and the associated low speed of the wind rotor (below the switch-on speed of the wind energy installation), a relatively low oscillation frequency is also generated, which has to be repaid by the active damping (in the range of a few tenths of a Hertz) up to 10 Hz, mostly around 1 Hertz).
  • the power generated during active damping can be compensated for by the generator itself.
  • the invention can be carried out in a purely electrical manner, without additional or wear-prone mechanics (i.e. free of mechanics), in particular with regard to vibrations of the
  • a corresponding control of the electrical power loss in the generator can be effected by modulating the generator losses, for example the generator excitation.
  • the loss is set (modulated) in such a way that the electrical power output of the wind turbine is even compared to the mechanical power input via the wind rotor.
  • a field weakening device for the generator is expediently seen. It can be used to set a desired loss in the generator by weakening the field.
  • the field weakening is only active below an adjustable maximum torque, the adjustable maximum torque being dependent on a magnetizing current.
  • the invention has further recognized that, at high torque, a field weakening can have a counterproductive effect on the stability of the control and the operation of the wind energy plants as a whole. To avoid this, the field weakening is limited to a range below an adjustable maximum torque, which is still classified as safe.
  • the low speed of the wind rotor in spin mode brings with it some special features.
  • the frequency is low due to the low speed.
  • This has consequences for frequency-dependent inductive effects, such as in relation to the so-called iron losses or copper losses in the generator.
  • the invention has recognized that at the typical low speeds in spin mode, the electrical frequencies are so low that iron losses are neglected in relation to the nominal magnetization and nominal active current in generators with squirrel-cage rotors or double-fed asynchronous generators (DFIG) with stator short-circuit. that can, but not copper losses.
  • a first calculation unit is provided. By taking these losses into account, more precise control can be achieved, which increases the quality of the damping caused by the oscillation damping device. With increasing speed, the point can be reached at which the iron losses can no longer be neglected.
  • a second calculation unit is expediently provided. It is designed to take iron losses in the generator into account above an adjustable speed limit. The quality of the damping according to the invention can thus be increased not only in the very deep, but also in the somewhat higher speed range.
  • the modulation device is preferably designed to set such a large loss that no or only a minimal power is fed into the network.
  • the oscillation damping device according to the invention can be operated safely even in the case of a network that is no longer present (power failure) or only a marginally powerful network.
  • the generator can be designed as an asynchronous generator, preferably with a squirrel-cage rotor. This type of construction is of great practical importance and is typically provided with a full converter which processes the entire power generated by the generator.
  • the invention is not limited to this.
  • the generator can be designed as a double-fed asynchronous generator. With this design, the converter does not need to be designed for the full power generated by the generator, but only for a part (typically a third). This type with partial converter is technically more demanding. It can only be operated in a limited speed range around the so-called synchronous speed. In order to enable operation even at very low speeds, as in the case of spin mode, it is often necessary to lower the stator voltage (or switch the stator winding).
  • the invention provides a simple and effective measure to lower the stator voltage: a short-circuit switch for the stator is expediently provided, which operates in the spin mode according to the invention becomes. Since the power level is low in spin mode, the short-circuit of the stator does not interfere from a production point of view. The short circuit, however, makes it possible to lower the stator voltage in the desired manner and thus the requirements for to provide the operation of the oscillation damping device according to the invention. The generator is then guided via the rotor voltage, no longer via the stator voltage as usual.
  • a special control module actuated by the oscillation damping device is also provided for the converter in order to operate the converter of the wind power plant when the short-circuit switch is actuated in a manner which is modified from normal operation.
  • the converter is specially adapted to the requirements of operation with a short-circuited stator.
  • An undervoltage supply device is preferably provided, which is designed to supply the intermediate circuit with a voltage which is lower than in normal operation in spin mode. With the low speeds that occur in spin mode, a high voltage in the DC link is not necessary.
  • the invention makes use of this and operates the intermediate circuit with a reduced voltage.
  • the undervoltage supply device is optionally designed to supply the intermediate circuit with a voltage of at most one fifth, preferably only one tenth, of the nominal intermediate circuit voltage, which is further preferably at least one twentieth of the nominal intermediate circuit voltage.
  • An auxiliary power supply device is advantageously provided which, in spin mode, supplies the intermediate circuit of the converter with electrical energy in the event of a power failure.
  • the oscillation damping according to the invention can also take place when the network has dropped out and an excitation of the generator would otherwise not be possible due to a lack of supply.
  • a conventional self-supply of the wind power plant or the wind farm is known to be ruled out in spin mode, since by definition not enough wind blows for the operation of the wind power plant.
  • the required energy is provided by the auxiliary supply device.
  • the auxiliary supply device optionally also acts as a power sink for receiving power from the intermediate circuit in the damping mode.
  • Fig. 3 is a schematic representation of an additional control with oscillation damping device
  • FIG. 4 shows a block diagram with an auxiliary supply device for island operation
  • Fig. 5a, b diagrams of the speed range of a double-fed Asynchrongenera gate with stator shorted or on the network;
  • Fig. 9 is a block diagram with an alternative auxiliary supply device.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment for a wind turbine 1 seen in its entirety with the reference number 1 is shown in FIG.
  • the wind energy installation 1 has a tower 10, at the upper end of which a nacelle 11 is arranged so as to be pivotable in the azimuth direction.
  • the gondola 11 has on one end face a rotatably arranged winding rotor 12, which drives a generator 2 arranged in the gondola 11 via a mechanical drive train 13 symbolically represented by a rotor shaft.
  • the generator 2 interacts with a converter 3 and converts the mechanical power coming from the drive train 13 into electrical power.
  • This is led via a connecting line 16, which runs through the tower 10 of the wind turbine GE, to a plant transformer 17 arranged at the base of the tower 10. From there it is connected to a network (network within the park or transmission network).
  • a power measuring device 15 which expediently comprises sensors for the phase-correct measurement of voltage and current.
  • the power measurement device 15 is shown on the network side of the plant transformer, but it can equally well be connected on the other side, that is to say on the plant side, of the plant transformer 17.
  • the controller 4 is designed in a manner known per se to monitor and control the operation of the wind energy installation. In particular, it works together with the converter 3 in order to control electrical parameters of the generator 2 including its excitation and the power output. This is known per se and therefore need not be operated in more detail.
  • the controller 4 is connected via signal connections (not shown) to various sensors of the wind energy installation 1, which are also not shown for reasons of better clarity, for example sensors for the speed of the wind rotor 12, various current and voltage sensors for electrical parameters on the converter 3 and for the magnetization and magnetization current of the generator 2.
  • FIG. 2a shows an embodiment variant in which the generator 2 is designed as an asynchronous machine (with a squirrel-cage rotor). This is driven by the wind rotor 12 (shown on the far right) via the drive train 13.
  • the generator 2 converts the mechanical power into electrical power. It outputs it to the converter 3, which has a machine-side inverter 31 on the generator side.
  • a grid-side inverter 32 is connected to this via a DC voltage intermediate circuit 30.
  • a choke 33 is connected with a capacitor 34 and an isolating switch 35. This is followed by the system transformer 17 and the connecting line 19 with a mains switch 18 for delivering the power to a network 9.
  • FIG. 2b shows an embodiment variant in which the generator 2 'is designed as a double-fed asynchronous machine. It has a fixed stator 21 and a rotating rotor 22.
  • the stator 21 is connected directly via a so-called stator branch to the plant transformer 17 'for delivering electrical power; only one isolating switch 38 is provided.
  • the rotor 22 is connected via a so-called rotor branch with a machine-side inverter 31, a DC voltage intermediate circuit 30 and a network-side inverter 32 of the converter.
  • the choke 33 'and the capacitor 34' is what Similar to the embodiment variant according to FIG. 2a.
  • the rotor branch is finally connected via a link 39 to the stator branch and thus to the system transformer 17'.
  • a short-circuit switch 36 for the stator 21 is provided on the stator branch. In normal operation, the short-circuit switch 36 is opened, so that the stator 21 is operated as usual. In the spin mode according to the invention, the short-circuit switch 36 is closed, as a result of which the windings of the status 21 are short-circuited. Otherwise, the structure according to FIG. 2b corresponds to that according to the embodiment variant according to FIG. 2a, to which reference is made to avoid repetitions.
  • the additional control 5 comprises, as main components, a detector device 51 and an oscillation damping device 52 for the generator 2. It is designed to dampen mechanical vibrations in the drive train that occur during spin operation. You be this by acting on the generator 2, which is connected as an actively controlled damper.
  • the generator 2 thus changes its function in the spin mode, in that it is not used (only) for the power generation itself, but functions functionally as a controlled active damper. In this way, the unwanted vibrations, as they are caused during the spin operation, can be effectively combated without the need for additional complex hardware. Structure and mode of operation are explained in more detail below.
  • a speed signal 50a is applied to the detector device. From this, the detector determines whether the speed n of the turning rotor 12 is below an adjustable limit speed. If this is the case, the detector device 51 outputs an actuation signal for the oscillation damping device 52 at its output. The speed signal 50a and a signal 50b for the torque T in the drive train 13 are also applied to these. Furthermore, a signal 50c is applied for the electrical power P generated by the wind energy installation 1.
  • the oscillation damping device 52 has a modulation device 53, which is designed to detect vibrations in the drive train 13 based on these parameters and to switch signals in the further determine for the reduction or compensation of these vibrations. Their mode of operation will be explained in more detail later.
  • the oscillation damping device 52 comprises a first calculation unit 54 and a second calculation unit 55. They are designed to take into account copper losses in the generator 2 or, when operating at a higher speed above an adjustable speed limit, also to take account of iron losses in the generator. A further refinement of the result can be achieved with this.
  • the oscillation damping device 52 has a switch control 57 for the short-circuit switch 36.
  • the switch control 57 acts on a remote switching unit 37 on the short-circuit switch 36. In this way, the oscillation damping device 52 can short-circuit the stator 21 of the generator in spin mode.
  • a field weakening device 58 is also provided. It is designed to effect a field weakening of the excitation in the generator so as to modulate losses of generator 2 and in particular its windings.
  • the magnetizing current is varied depending on the mechanical torque.
  • a signal 50d is applied for a maximum torque Tm.
  • a special control module 7, which is actuated by the switch control 57. It acts on the converter 3 and is designed to reduce the converter voltage in spin mode. The reduction depends on the speed in spin mode and the generator design; For example, at a speed of 100 min -1 in spin mode instead of speeds in normal operation from 1200 to 1800 min -1, a voltage of 5 to 10% of the nominal value is sufficient for generators with squirrel-cage rotors, with double-fed asynchronous generators the rotor voltage is by the factor the gear ratio between rotor and stator (wR / wS, often in the range 2 ... 3) higher.
  • FIG. There is shown an undervoltage supply device for the DC voltage intermediate circuit 30 of the converter 3.
  • a problem with the spin mode is that, as already explained above, the wind turbine generates little or no power because of the low speed. It is therefore difficult to achieve sufficient magnetization of the generator 2 (and is often impossible in the case of wind energy plants 1 with partial converters).
  • a voltage supply is provided for building up and maintaining the intermediate circuit voltage on the converter 3.
  • a battery 63 which is connected to the DC voltage intermediate circuit 30 of the converter 3 via a DC / DC voltage converter and line 65 with isolating switch 66.
  • the connection is made at a point “B” of the converter 3, as is also shown in FIG. 2a, b.
  • a conventional uninterruptible power supply (UPS) 62 which feeds a self-supply network 60 of the wind turbine 1 via a switch 61.
  • UPS uninterruptible power supply
  • the battery 63 and the DC / DC converter 64 can supply the converter 3, in particular from its machine-side converter 31, with sufficient voltage even when the wind turbine 1 is at a standstill (or only at low speed).
  • the undervoltage supply device 6 is controlled by a supply control module 56. In normal operation, however, the isolating switch 66 is opened, thus the battery 63 and the DC / DC converter 64 are separated from the intermediate circuit.
  • the short-circuit switch 36 is used to improve the behavior of double-fed asynchronous generators 2 'in this operating state at a very low speed.
  • the short-circuit switch 36 In normal operation, the short-circuit switch 36 is open, so that the stator 21 is operated as usual. In the spin mode according to the invention, the short-circuit switch 36 is closed, whereby the windings of the stator 21 are short-circuited. From a functional point of view, the double-fed asynchronous generator thus mutates into an inverted asynchronous generator in a cage design, with the reversed effect of the stator and rotor.
  • the rotor is short-circuited in the asynchronous generator with squirrel-cage rotor and the stator is the actual power winding; in the double-fed asynchronous generators according to the invention, the stator is short-circuited as a result of the short-circuit switch and thus the rotor becomes the winding which actually outputs power.
  • the double-fed asynchronous generators which are difficult or impossible to operate at low speeds, assume the much more favorable operating behavior of the squirrel-cage asynchronous generators.
  • the voltage characteristic of a double-fed asynchronous generator over the speed range is briefly discussed below, as is shown in FIGS. 5a, b.
  • the rotor voltage U2 reaches its minimum at the synchronous speed n syn c and increases with increasing deviation from the synchronous speed both down to the minimum speed n min and also up to the maximum speed n max on up to the main field voltage, as shown in Figure 5b by the horizontal line marked with thick dots.
  • the maximum converter voltage is shown in FIG. 5a, b by a thin horizontal line U3.
  • the operating mode with a short-circuited stator according to FIG.
  • FIGS. 6a, b Equivalent circuit diagrams of an asynchronous generator in their original and prepared form are shown in FIGS. 6a, b.
  • the left part shows the stator 21 and the right part shows the rotor 22, each with an inductor and an ohmic replacement element for the losses in the rotor or stator, the rotor being dependent on the slip s.
  • the voltage U1 is applied to the stator and the stator current 11 flows and the voltage U2 is applied to the rotor and the rotor current I2 flows.
  • replacement elements are arranged, namely one for an inductance X h of the main field winding and an ohmic replacement element for the so-called iron losses RFE. At low speeds, the iron losses can be neglected.
  • This equivalent circuit diagram can also be used for a double-fed asynchronous machine with a short-circuited stator, the rotor and stator having to be interchanged accordingly in the illustration.
  • FIG. 6b A prepared equivalent circuit diagram is shown in Figure 6b.
  • the left part with the stator is unchanged.
  • two ohmic replacement elements are now arranged, one R22 standing for the losses in the rotor winding itself and the other for the mechanical performance of the drive train 13 (both terms in turn give R2 / s in accordance with the representation in Figure 6a).
  • phase-variable rotor current I2 With regard to the phase-variable rotor current I2, it thus follows that the active power is defined by the product of the main field voltage U h and the real part of the rotor current I2, referred to here as I2A, and the reactive power is defined by the product of the main field voltage U h and the imaginary part of the rotor current I2, referred to here as I2B.
  • f m stands for the mechanical speed, which results from the product of the actual speed n and the number of pole pairs pp.
  • the main field voltage applies from the rotor branch and also applies to the main field voltage viewed from the magnetization branch 23 (with neglected iron resistance R Fe )
  • the total losses are modulated by controlling the magnetizing current so that in the end there is an equalization of the mechanical power (see smooth part of the solid line in FIG. 8e).
  • conventional operation see time period from 0 to 4 seconds. This eliminates existing dangerous power fluctuations.
  • FIG. 4 An alternative embodiment for the auxiliary feed device is shown in FIG.
  • the feed point on the converter is different. It is located at point “A” (see FIG. 2a, b) and not at point “B” as in the embodiment according to FIG. 4.
  • This also includes the grid-side inverter 32.
  • the structure is simplified. Otherwise, the structure corresponds to that according to FIG. 4, the same reference numerals being used for similar elements. To avoid repetition, reference is made to the explanations given above for FIG. 4.

Abstract

Windenergieanlage mit Triebstrang (13) umfassend einen Windrotor (12), einem von dem mechanischen Triebstrang (13) angetriebenen Generator (2), der mit einem Umrichter (3) zusammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung in einem Normalbetrieb und einer Steuerung (4), sowie einer Anschlussleitung (19) zur Abgabe der erzeugten Leistung an ein Netz (9), wobei die Steuerung (4) eine Generatorregelung aufweist und dazu ausgebildet ist die Windenergieanlage zu betreiben. Erfindungsgemäß ist eine Zusatzsteuerung (5) für einen Trudelbetrieb vorgesehen. Sie umfasst eine Detektoreinrichtung (51) für eine Drehzahl des Windrotors (12), die bei einer Drehzahl unterhalb der Einschaltdrehzahl eine Oszillations- Dämpfungseinrichtung (52) für den Generator betätigt, die den Generator (2) als gesteuerten Dämpfer für mechanische Schwingungen im Triebstrang (13) schaltet. Mittels dieses gesteuerten Dämpfers wird die bei dem Betrieb der Windenergieanlage im Trudelbetrieb erzeugte Leistung aufgenommen. Schädliche Leistungsschwankungen und -pendelungen im Triebstrang können so wirksam kompensiert und reduziert werden. Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren.

Description

Windenergieanlage mit Dämpfungseinrichtung für Trudelbetrieb
Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Triebstrang umfassend einen Wind rotor, einem von dem Triebstrang angetriebenen Generator, der mit einem Umrichter zu sammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung in einem Normalbetrieb, sowie einer An schlussleitung zur Abgabe der erzeugten Leistung an ein Netz und einer Steuerung, die eine Generatorregelung aufweist und dazu ausgebildet ist die Windenergieanlage zu betreiben. In einem Trudelbetrieb ist der Windrotor ungesperrt und drehbeweglich.
Windenergieanlagen weisen unterschiedliche Betriebsmodi auf. Grundsätzlich sind dies min destens zwei Modi, nämlich zum einen der sogenannte Netzparallelbetrieb, bei dem die Windenergieanlage vollständig aktiv ist sowie Leistung produziert und an das Netz abgibt, und zum anderen den Nichtaktivität-Modus, bei dem die Windenergieanlage vollständig nicht aktiv ist und ggf. auch überhaupt kein Netz verfügbar ist. Optional können weitere Betriebs modi vorgesehen sein, beispielsweise ein Betriebsmodus zur Generierung von Blindleistung im Stillstand: produziert die Windenergieanlage keine Wirkleistung (d. h. dieser Modus ist im Prinzip auch bei Schwachwind oder Flaute verfügbar), speist aber über ihren Umrichter Blindleistung in das Netz ein. Ist die Windenergieanlage nicht in Betrieb, so kommt es bei schwachem Wind regelmäßig dazu, dass der Windrotor langsam dreht (unterhalb der Ein schaltdrehzahl der Windenergieanlage). Man spricht hier vom sog. Trudelbetrieb und davon, dass die Windenergieanlage bzw. der Windrotor trudelt. Hierbei dreht der Windrotor mit sehr niedriger Drehzahl, die deutlich unter regulären Betriebsdrehzahlen liegt, und somit auch unterhalb der Einschaltdrehzahl der Windenergieanlage. Dieser Trudelbetrieb kann auftreten wenn Netz verfügbar ist, kann aber auch dann auftreten, wenn kein Netz verfügbar ist und die Windenergieanlage somit keine Leistung in das (nicht vorhandene) Netz einspeisen kann. Trudelbetrieb ist also nicht zwingend auf Schwachwind-Situationen beschränkt.
Es hat sich gezeigt, dass der Trudelbetrieb Schwingungen in der Windenergieanlage und ihren Komponenten hervorrufen kann. Diese Schwingungen können wegen der damit ein hergehenden Wechselbelastung gefährlich sein und Schäden hervorrufen. In manchen Fäl len kann man dem durch Inbetriebnehmen der Windenergieanlage begegnen (wenn der Wind hierfür ausreicht). Allerdings setzt das voraus, dass ein Netz zur Verfügung steht, an das die erzeugte elektrische Leistung abgeführt werden kann; ist das nicht der Fall, so steht diese Option nicht zur Verfügung, oder es müssen sogenannte Dumploads im Windpark be- reitgestellt werden zum Dissipieren der erzeugten elektrischen Leistung. Dies ist jedoch mit zwei Nachteilen verbunden. Der eine Nachteil besteht darin, dass für die Bereitstellung der Dumpload zusätzliche Hardware erforderlich ist. Der andere besteht darin, dass es durch die Schwingungen im Trudelbetrieb nicht nur zu periodisch variierter mechanischer Leistung kommt, sondern auch unerwünschte Leistungspendelungen bei der elektrischen Leistung auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung des Verhaltens der Windener gieanlage im Trudelbetrieb zu erreichen, insbesondere schädliche Auswirkungen dabei ent stehender Schwingungen zu vermindern.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vor teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer Wndenergieanlage mit einem mechanischen Triebstrang umfassend einen Wndro- tor, einem von dem mechanischen Triebstrang angetriebenen Generator, der mit einem Um richter zusammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung in einem Normalbetrieb und ei ner Steuerung, sowie einer Anschlussleitung) zur Abgabe der erzeugten Leistung an ein Netz, wobei die Steuerung eine Generatorregelung aufweist und dazu ausgebildet ist die Windenergieanlage zu betreiben, und wobei der Wndrotor in einem Trudelbetrieb ungesperrt und drehbeweglich ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Zusatzsteuerung für den Trudelbetrieb vorgesehen ist, die eine Detektoreinrichtung) für eine Drehung des Wndrotors) mit einer Drehzahl unterhalb einer Einschaltdrehzahl umfasst, die bei einer Drehzahl des Windrotors unterhalb der Einschaltdrehzahl eine Oszillations-Dämpfungseinrichtung für den Generator betätigt, die den Generator als gesteuerten Dämpfer für mechanische Schwin gungen im Triebstrang schaltet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die bei dem Betrieb der Windenergieanlage im Tru delbetrieb erzeugte Leistung aufzunehmen, genauer gesagt zu kompensieren und sie so zu reduzieren. Das geschieht mittels aktiver elektrischer Dämpfung unter Nutzung des Genera tors. Die Erfindung macht sich hierbei zu Nutze, dass bei dem Trudelbetrieb und der damit einhergehenden niedrigen Drehzahl des Windrotors (unterhalb der Einschaltdrehzahl der Windenergieanlage) auch eine verhältnismäßig kleine Schwingungsfrequenz erzeugt wird, die von der aktiven Dämpfung zu tilgen ist (im Bereich von einigen Zehntel Hertz bis 10 Hz, meist Bereich um 1 Hertz). Die bei der aktiven Dämpfung entstehende Leistung kann mittels des Generators selbst kompensiert werden. Somit ist es für die erfindungsgemäße aktive Dämpfung nicht erforderlich, dass eine Verbindung zum Netz besteht (in das die Leistung dann einfach abgeführt werden könnte), noch ist es erforderlich, dass gesonderte Leistungs senken („Dumploads“) bereitgestellt werden. Die Erfindung benötigt beides nicht, sondern ihr gelingt es, die Windenergieanlage selbst dafür heranzuziehen. Zusätzlicher Hardwareauf wand ist somit kaum erforderlich.
Somit kann die Erfindung auf rein elektrische Weise, ohne zusätzliche bzw. verschleißbehaf tete Mechanik (d. h. mechanikfrei), insbesondere im Hinblick auf Schwingungen des
Triebstrangs das Betriebsverhalten der Windenergieanlage im Trudelbetrieb verbessern.
Passend zu der im Trudelbetrieb schwankenden mechanischen Leistung kann durch Modu lation der Generatorverluste, beispielsweise der Generatorerregung, eine entsprechende Steuerung der elektrischen Verlustleistung im Generator bewirkt werden. Es wird der Verlust so eingestellt (moduliert), dass die elektrische Leistungsabgabe der Windenergieanlage ver gleichmäßigt ist gegenüber der mechanischen Leistungseingabe über den Windrotor. Im Ergebnis vergleichmäßigt sich so die abzugebende elektrische Leistung. Schädlichen Folgen von unkontrollierten Leistungsschwankungen bzw. -pendelungen können damit vermieden werden. Zweckmäßigerweise ist eine Feldschwächungseinrichtung für den Generator vorge sehen. Mit ihr kann durch Feldschwächung ein gewünschter Verlust im Generator eingestellt werden. Um einen möglichen instabilen Zustand zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise vor gesehen, dass die Feldschwächung nur unterhalb eines einstellbaren Maximal- Drehmoments aktiv ist, wobei das einstellbare Maximal-Drehmoment abhängig von einem Magnetisierungsstrom ist. Die Erfindung hat weiter erkannt, dass bei hohem Drehmoment eine Feldschwächung sich kontraproduktiv auf die Stabilität der Regelung und den Betrieb der Windenergieanlagen im Ganzen auswirken kann. Um dies zu vermeiden, wird die Feld schwächung begrenzt auf einen Bereich unterhalb eines einstellbaren Maximal- Drehmoments, das noch als sicher eingestuft ist.
Die niedrige Drehzahl des Windrotors im Trudelbetrieb bringt einige Besonderheiten mit sich. Anders als bei der im Normalbetrieb üblichen hohen Drehzahl ist durch die niedrige Drehzahl die Frequenz niedrig. Das hat Folgen für frequenzabhängige induktive Effekte, wie bei spielsweise in Bezug auf die sogenannten Eisenverluste bzw. Kupferverluste im Generator. Damit sind die durch magnetische Durchflutung bewirkten Verluste in den metallischen Komponenten des Generators bzw. die in den Wicklungen des Generators entstehenden Verluste gemeint. Die Erfindung hat erkannt, dass bei den typischen niedrigen Drehzahlen im Trudelbetrieb die elektrischen Frequenzen derart niedrig sind, dass bezogen auf Nenn magnetisierung und Nennwirkstrom bei Generatoren mit Käfigläufer bzw. doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren (DFIG) mit Statorkurzschluss zwar Eisenverluste vernachlässigt wer- den können, Kupferverluste aber nicht. Um diese hinreichend zu berücksichtigen, ist eine erste Berechnungseinheit vorgesehen. Dank der Berücksichtigung dieser Verluste kann eine präzisere Steuerung erreicht werden, wodurch sich die Qualität der von der Oszillations- Dämpfungseinrichtung bewirkten Dämpfung erhöht. Bei steigender Drehzahl kann der Punkt erreicht werden, an dem die Eisenverluste nicht mehr ohne weiteres vernachlässigt werden können. Um auch diesen Betriebsfall hinreichend sicher abdecken zu können, ist zweckmä ßigerweise eine zweite Berechnungseinheit vorgesehen. Sie ist dazu ausgebildet, oberhalb einer einstellbaren Drehzahlgrenze auch Eisenverluste im Generator zu berücksichtigen. Damit kann nicht nur im ganz tiefen, sondern auch im etwas höheren Drehzahlspektrum die Qualität der erfindungsgemäßen Dämpfung gesteigert werden.
Vorzugsweise ist die Modulationseinrichtung ausgebildet zur Einstellung eines so großen Verlusts, dass keine oder nur eine minimale Leistung in das Netz eingespeist wird. Damit kann auch bei einem nicht mehr vorhandenen Netz (Netzausfall) bzw. nur noch marginal leistungsfähigem Netz die erfindungsgemäße Oszillations-Dämpfungseinrichtung sicher be trieben werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Generator als ein Asynchrongenerator ausgeführt sein, vorzugsweise mit Käfigläufer. Diese Bauart ist von hoher praktischer Bedeu tung und ist typischerweise mit einem Vollumrichter versehen, welcher die gesamte von dem Generator erzeugte Leistung verarbeitet. Die Erfindung ist aber darauf nicht beschränkt. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Generator als ein doppelt gespeister Asynchron generator ausgeführt sein. Bei dieser Bauart braucht der Umrichter nicht für die volle von dem Generator erzeugte Leistung ausgelegt zu sein, sondern nur für einen Teil (typischer weise ein Drittel). Diese Bauart mit Teilumrichter ist technisch anspruchsvoller. Von Haus aus kann sie nur in einem eingeschränkten Drehzahlbereich um die sogenannte Synchron drehzahl herum betrieben werden. Um einen Betrieb auch bei sehr niedrigen Drehzahlen, wie im Fall des Trudelbetriebs, zu ermöglichen, ist häufig eine Absenkung der Statorspan nung (oder Umschaltung der Statorwicklung) erforderlich. Dies ist grundsätzlich zwar prob lemlos, anders sieht es aber bei Trudelbetrieb während eines Netzausfalls aus. Um die An wendung der Erfindung dennoch auch bei Windenergieanlagen mit doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren zu ermöglichen, sieht die Erfindung eine so einfache wie wirksame Maßnahmen vor, um die Statorspannung abzusenken: zweckmäßigerweise ist ein Kurz schlussschalter für den Stator vorgesehen, der bei dem erfindungsgemäß Trudelbetrieb be tätigt wird. Da im Trudelbetrieb das Leistungsniveau niedrig ist, stört unter Erzeugungsge sichtspunkten der Kurzschluss des Stators nicht. Der Kurzschluss ermöglicht es aber, die Statorspannung in der gewünschten Weise abzusenken und damit die Voraussetzungen für den Betrieb der erfindungsgemäßen Oszillations-Dämpfungseinrichtung zu schaffen. Der Generator wird dann über die Rotorspannung geführt, nicht mehr wie sonst üblich über die Statorspannung. Zweckmäßigerweise ist ferner ein von der Oszillations- Dämpfungseinrichtung betätigtes Sondersteuerungsmodul für den Umrichter vorgesehen, um den Umrichter der Windenergieanlage bei betätigtem Kurzschlussschalter auf eine ge genüber dem Normalbetrieb abgewandelte Weise zu betreiben. Auf diese Weise wird der Umrichter speziell an die Anforderungen des Betriebs mit kurzgeschlossenem Stator ange passt.
Vorzugsweise ist ein Unterspannung-Speisungsgerät vorgesehen, das dazu ausgebildet ist im Trudelbetrieb den Zwischenkreis mit einer gegenüber dem Normalbetrieb verringerten Spannung zu speisen. Bei den im Trudelbetrieb auftretenden niedrigen Drehzahlen ist eine hohe Spannung im Zwischenkreis nicht erforderlich. Die Erfindung nutzt dies und betreibt den Zwischenkreis mit einer reduzierten Spannung. Optional ist das Unterspannung- Speisegerät dazu ausgebildet, den Zwischenkreis mit einer Spannung von höchstens einem Fünftel, vorzugsweise nur einem Zehntel der Zwischenkreisnennspannung zu speisen, die weiter vorzugsweise mindestens ein Zwanzigstel der Zwischenkreisnennspannung beträgt. Diese Spannungsbereiche haben sich bewährt für den Trudelbetrieb mit den für ihn typi schen niedrigen Drehzahlen des Windrotors.
Mit Vorteil ist eine Hilfsspeisung-Einrichtung vorgesehen, die im Trudelbetrieb den Zwi schenkreis des Umrichters mit elektrischer Energie im Fall eines Netzausfalls versorgt. Somit kann die erfindungsgemäße Oszillations-Dämpfung auch dann erfolgen, wenn das Netz aus gefallen ist und somit eine Erregung des Generators mangels Versorgung sonst nicht mög lich wäre. Eine klassische Eigenversorgung der Windenergieanlage bzw. des Wndparks scheidet bei Trudelbetrieb bekanntlich aus, da definitionsgemäß dabei nicht genug Wind für den Betrieb der Windenergieanlage weht. Durch die Hilfsspeisung-Einrichtung wird die benö tigte Energie bereitgestellt. Der Schutz der Wndenergieanlagen vor schädlichen Oszillatio nen kann somit auch bei Netzausfall wirken. Vorzugsweise fungiert die Hilfsspeisungs- Einrichtung wahlweise ferner als Leistungssenke zur Aufnahme von Leistung aus dem Zwi schenkreis im Dämpfungsbetrieb.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen. Nachfolgend wird die Erfindung unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung näher beispiel haft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung einer Windenergieanlage gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2a, b Blockschaltbilder zum elektrischen Leistungsstrang einer Windenergieanlage mit verschiedenen Generatoren;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Zusatzsteuerung mit Oszillations- Dämpfungseinrichtung;
Fig. 4 ein Blockschaltbild mit einer Hilfsspeisungseinrichtung für Inselbetrieb;
Fig. 5a, b Diagramme zum Drehzahlbereich eines doppelt gespeisten Asynchrongenera tors mit Stator kurzgeschlossen bzw. am Netz;
Fig. 6a, b Ersatzschaltbilder für einen Asynchrongenerator in ursprünglicher und aufbe reiteter Form;
Fig. 7 ein Diagramm für den Zusammenhang Drehmoment im Triebstrang und Min destmagnetisierungsstrom;
Fig. 8a - e Diagramme zur Funktionsweise der erfindungsgemäßen Oszillationsdämpfung;
und
Fig. 9 ein Blockschaltbild mit einer alternativen Hilfsspeisungseinrichtung.
Eine beispielhafte Ausführungsform für eine in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 ver sehene Windenergieanlage 1 ist in Figur 1 dargestellt.
Die Windenergieanlage 1 weist einen Turm 10 auf, an dessen oberen Ende eine Gondel 11 in Azimutrichtung schwenkbeweglich angeordnet ist. Die Gondel 11 weist an einer Stirnseite einen drehbeweglich angeordneten Wndrotor 12 auf, der über einen symbolhaft durch eine Rotorwelle dargestellten mechanischen Triebstrang 13 einen in der Gondel 1 1 angeordneten Generator 2 antreibt. Der Generator 2 wirkt mit einem Umrichter 3 zusammen und wandelt die von dem Triebstrang 13 kommende mechanische Leistung um in elektrische Leistung. Diese wird über eine Anschlussleitung 16, welche durch den Turm 10 der Windenergieanla ge verläuft, zu einem am Fuß des Turms 10 angeordneten Anlagentransformator 17 geführt. Von dort wird sie über eine Anschlussleitung 19 an ein Netz (parkinternes Netz oder Über- tragungsnetz) abgegeben. Zur Bestimmung der abgegebenen Leistung ist eine Leistungs messeinrichtung 15 vorgesehen, die zweckmäßigerweise Sensoren zur phasenrichtigen Messung von Spannung und Strom umfasst. Dargestellt ist die Leistungsmesseinrichtung 15 netzseitig des Anlagentransformators, sie kann aber genauso gut auf der anderen Seite, also anlagenseitig, des Anlagentransformators 17 angeschlossen sein.
Ferner in der Gondel 11 vorgesehen ist eine Betriebssteuerung 4 für die Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Zusatzsteuerung 5 für den Trudelbetrieb. Die Steuerung 4 ist in an sich bekannter Weise dazu ausgebildet, den Betrieb der Wndenergieanlage zu über wachen und zu steuern. Insbesondere wirkt sie zusammen mit dem Umrichter 3, um elektri sche Parameter des Generators 2 einschließlich seiner Erregung sowie die Leistungsabgabe zu steuern. Dies ist an sich bekannt und braucht daher nicht näher betrieben zu werden. Zu diesem Zweck ist die Steuerung 4 über nicht dargestellte Signalverbindungen mit diversen Sensoren der Wndenergieanlage 1 verbunden, die aus Gründen besserer Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellt sind, beispielsweise Sensoren für die Drehzahl des Wndrotors 12, diverse Strom- und Spannungssensoren für elektrische Parameter am Umrichter 3 sowie für die Magnetisierung und Magnetisierungsstrom des Generators 2.
Das Zusammenwirken von Generator 2 und Umrichter 3 zur Erzeugung und Abgabe der elektrischen Leistung ist in Figur 2 für zwei verschiedene Arten von Generatoren dargestellt. In Figur 2a ist dargestellt eine Ausführungsvariante, bei welcher der Generator 2 als eine Asynchronmaschine (mit Käfigläufer) ausgeführt ist. Dieser ist von dem Windrotor 12 (ganz rechts dargestellt) über den Triebstrang 13 angetrieben. Der Generator 2 wandelt die me chanische Leistung um in elektrische Leistung. Er gibt sie ab an den Umrichter 3, der gene ratorseitig einen maschinenseitigen Wechselrichter 31 aufweist. An diesen ist über einen Gleichspannung-Zwischenkreis 30 ein netzseitiger Wechselrichter 32 angeschlossen. Am Ausgang des Wechselrichters 32 ist eine Drossel 33 angeschlossen mit einem Kondensator 34 sowie einem Trennschalter 35. Daran schließt sich an der Anlagentransformator 17 und die Anschlussleitung 19 mit einem Netzschalter 18 zur Abgabe der Leistung an ein Netz 9.
In Figur 2b dargestellt ist eine Ausführungsvariante, bei welcher der Generator 2‘ als eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgeführt ist. Sie weist einen feststehenden Stator 21 sowie einen umlaufenden Rotor 22 auf. Der Stator 21 ist direkt über einen sogenannten Statorzweig mit dem Anlagentransformator 17‘ zur Abgabe elektrischen Leistung verbunden, es ist lediglich ein Trennschalter 38 vorgesehen. Der Rotor 22 ist über einen sogenannten Rotorzweig mit maschinenseitigem Wechselrichter 31 , Gleichspannung-Zwischenkreis 30 und netzseitigem Wechselrichter 32 des Umrichters angeschlossen. Daran schließen sich, ähnlich wie bei der Ausführungsvariante gemäß Figur 2a, die Drossel 33‘ und der Kondensa tor 34‘ an. Über einen Trennschalter 35‘ ist der Rotorzweig schließlich über eine Verknüp fungsstelle 39 an den Statorzweig und somit den Anlagentransformator 17‘ angeschlossen. Als Besonderheit ist am Statorzweig ein Kurzschlussschalter 36 für den Stator 21 vorgese hen. Im Normalbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geöffnet, so dass der Stator 21 wie üblich betrieben ist. In dem erfindungsgemäßen Trudelbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geschlossen, wodurch die Wicklungen des Status 21 kurzgeschlossen sind. Im Übrigen ent spricht der Aufbau gemäß Figur 2b sinngemäß demjenigen gemäß der Ausführungsvariante gemäß Figur 2a, worauf zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird.
Die Zusatzsteuerung 5 umfasst als Hauptkomponenten eine Detektoreinrichtung 51 sowie eine Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 für den Generator 2. Sie ist dazu ausgebildet, im Trudelbetrieb auftretende mechanische Schwingungen im Triebstrang zu dämpfen. Sie be wirkt dies indem sie auf den Generator 2 einwirkt, der insoweit als aktiv gesteuerter Dämpfer geschaltet ist. Der Generator 2 wechselt also seine Funktion im Trudelbetrieb, indem er nicht (nur) für die Leistungserzeugung an sich herangezogen wird, sondern funktional als gesteu erter aktiver Dämpfer fungiert. Auf diese Weise können die unerwünschten Schwingungen, wie sie beim Trudelbetrieb hervorgerufen werden, effektiv bekämpft werden, ohne dass dazu zusätzliche aufwendige Hardware erforderlich ist. Aufbau und Funktionsweise werden nach folgend näher erläutert.
An der Detektoreinrichtung ist ein Drehzahlsignal 50a angelegt. Der Detektor ermittelt daraus, ob die Drehzahl n des Wndrotors 12 unterhalb einer einstellbaren Grenzdrehzahl liegt. Ist das der Fall, so gibt die Detektoreinrichtung 51 an ihrem Ausgang ein Betätigungssignal für die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 aus. An diese ist ebenfalls das Drehzahlsignal 50a sowie ein Signal 50b für das Drehmoment T in dem Triebstrang 13 angelegt. Ferner angelegt ist ein Signal 50c für die von der Wndenergieanlage 1 erzeugte elektrische Leistung P. Die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 weist eine Modulationseinrichtung 53 auf, welche da zu ausgebildet ist, anhand dieser Parameter Schwingungen in dem Triebstrang 13 zu erken nen und im weiteren Schaltsignale zu bestimmen zur Reduktion bzw. Kompensation dieser Schwingungen. Deren Funktionsweise wird später näher erläutert werden.
Ferner umfasst die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 eine erste Berechnungseinheit 54 sowie eine zweite Berechnungseinheit 55. Sie sind ausgebildet zur Berücksichtigung von Kupferverlusten im Generator 2 bzw. beim Betrieb mit höherer Drehzahl oberhalb einer ein stellbaren Drehzahlgrenze auch zur Berücksichtigung von Eisenverlusten im Generator. Da mit kann eine weitere Verfeinerung des Ergebnisses erreicht werden. Ferner weist die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 eine Schaltersteuerung 57 für den Kurzschlussschalter 36 auf. Dazu wirkt die Schaltersteuerung 57 auf eine Fernschalteinheit 37 am Kurzschlussschalter 36 ein. Damit kann die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 im Trudelbetrieb den Stator 21 des Generators kurzschließen.
Weiter vorgesehen ist eine Feldschwächungseinrichtung 58. Sie ist dazu ausgebildet eine Feldschwächung der Erregung im Generator zu bewirken, um so Verluste Generator 2 und insbesondere dessen Wicklungen zu modulieren. Hierbei wird der Magnetisierungsstrom in Abhängigkeit von dem mechanischen Drehmoment variiert. Angelegt ist ein Signal 50d für ein maximales Drehmoment Tm.
Weiter vorgesehen ist ein Sondersteuermodul 7, das von der Schaltersteuerung 57 betätigt ist. Es wirkt auf den Umrichter 3 und ist dazu ausgebildet, die Umrichterspannung im Trudel betrieb zu reduzieren. Die Reduktion ist abhängig von der Drehzahl im Trudelbetrieb und der Generatorbauart; so reicht bei einer Drehzahl von 100 min-1 im Trudelbetrieb anstatt Dreh zahlen im Normalbetrieb von 1200 bis 1800 min-1 für Generatoren mit Käfigläufer eine Span nung von 5 bis 10% des Nominalwerts aus, bei doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren ist die Rotorspannung um den Faktor des Übersetzungsverhältnisses zwischen Rotor und Sta tor (wR/wS, häufig im Bereich 2...3) höher.
Bevor die Funktionsweise näher erläutert wird, sei zuerst auf Figur 4 Bezug genommen. Dort ist dargestellt ein Unterspannungsspeisegerät für den Gleichspannung-Zwischenkreis 30 des Umrichters 3. Eine Problematik bei dem Trudelbetrieb besteht darin, dass, wie bereits ein gangs erläutert, die Windenergieanlage wegen der geringen Drehzahl kaum bzw. keine Leis tung erzeugt. Das Erreichen einer ausreichenden Magnetisierung des Generators 2 ist daher schwierig (und bei Windenergieanlagen 1 mit Teilumrichter häufig unmöglich). Um auch bei dieser niedrigen Drehzahl (die bei Windenergieanlagen 1 mit doppelt gespeisten Asynchron generator 2‘ weit von der eigentlichen Synchrondrehzahl entfernt ist) dennoch einen Betrieb zu ermöglichen, ist eine Spannungsversorgung zum Aufbauen und Halten der Zwischen kreisspannung am Umrichter 3 vorgesehen. Sie ist in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet und umfasst eine Batterie 63, die über einen DC/DC-Spannungswandler und Leitung 65 mit Trennschalter 66 an den Gleichspannung-Zwischenkreis 30 des Umrichters 3 angeschlossen ist. Der Anschluss erfolgt an einem Punkt„B“ des Umrichters 3, wie er auch in Figur 2a, b dargestellt ist. Ferner an die Batterie 63 angeschlossen ist eine an sich her kömmliche unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) 62, die über einen Umschalter 61 ein Eigenbedarfsnetz 60 der Windenergieanlage 1 speist. Üblicherweise erfolgt die Speisung des Eigenbedarfsnetz 60 über das Netz, das dazu an einen Anschluss 61‘ des Umschalters 61 angeschlossen ist. Somit kann über die Batterie 63 und den DC/DC-Wandler 64 eine Ver sorgung des Umrichters 3, und zwar insbesondere von dessen maschinenseitigen Wechsel richter 31 , mit einer ausreichenden Spannung auch bei Stillstand (oder nur geringer Drehzahl) der Windenergieanlage 1 erreicht werden. Angesteuert ist die Unterspannungsspeisegerät 6 von einem Speisesteuermodul 56. Im Normalbetrieb hingegen ist der Trennschalter 66 ge öffnet, somit sind die Batterie 63 und der DC/DC-Wandler 64 vom Zwischenkreis getrennt.
Zur Verbesserung des Verhaltens von doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren 2‘ in die sem Betriebszustand mit sehr niedriger Drehzahl dient der Kurzschlussschalter 36. Im Nor malbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geöffnet, so dass der Stator 21 wie üblich betrie ben ist. In dem erfindungsgemäßen Trudelbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geschlos sen, wodurch die Wicklungen des Stators 21 kurzgeschlossen sind. Damit mutiert der dop pelt gespeisten Asynchrongeneratoren funktional gesehen zu einem invertierten Asynchron generator in Käfigbauweise, und zwar mit vertauschter Wirkung von Stator und Rotor. Übli cherweise ist beim Asynchrongenerator mit Käfigläufer der Rotor kurzgeschlossen und der Stator ist die eigentliche Leistungswicklung; bei dem erfindungsgemäßen doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren ist als Folge des Kurzschlussschalters der Stator kurzgeschlossen und somit wird der Rotor zu der eigentlichen Leistung abgebenden Wicklung. Mit diesem Kunstgriff, der gegebenenfalls unabhängigen Schutz verdient, kann erreicht werden, dass der bei niedrigen Drehzahlen nur schwer oder gar nicht zu betreibende doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren das viel günstigere Betriebsverhalten des Käfigläufer- Asynchrongeneratoren annimmt.
Zur Verdeutlichung wird nachfolgend kurz auf die Spannungs-Charakteristik eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators über den Drehzahlbereich eingegangen, wie sie in Figur 5a, b dargestellt ist. Bei der normalen Betriebsweise gemäß Fig. 5b (ohne kurzgeschlossenen Stator) erreicht die Rotorspannung U2 ihr Minimum bei der Synchrondrehzahl nsync und steigt mit zunehmender Abweichung von der Synchrondrehzahl sowohl nach unten hin zur Mini maldrehzahl nmin wie auch nach oben hin zur Maximaldrehzahl nmax an bis hin zu der Haupt feldspannung, wie sie in Figur 5b durch die horizontale mit dicken Punkten markierte Linie dargestellt ist. Die maximale Umrichterspannung ist in der Figur 5a, b durch eine dünne hori zontale Linie U3 dargestellt. Bei der Betriebsart mit kurzgeschlossenem Stator gemäß Figur 5a kann aus der maximalen Umrichterspannung U3 (siehe dünne horizontale Linie) wegen des sich aus dem Windungszahlverhältnis von Stator 21 und Rotor 22 ergebenden Span nungsübersetzung ü nur noch ca. ein Drittel der nominellen Hauptfeldspannung (bezogen auf den Stator) erzeugt werden, wie sich aus der Darstellung der Hauptfeldspannung durch die mit dicken Punkten markierte Linie ergibt. Bei kurzgeschlossenem Stator kann mittels Feldschwächung ein Betrieb auch außerhalb des durch die vertikalen gestrichelten Linien markierten Drehzahlbereichs erfolgen, sofern die maximale Umrichterspannung U3 entspre chend angehoben wird (sie muss immer größer sein als die Rotorspannung U2).
Ersatzschaltbilder eines Asynchrongenerators in ursprünglicher und aufbereiteter Form sind in Figur 6a, b dargestellt. Im linken Teil ist der Stator 21 und im rechten Teil ist der Rotor 22 dargestellt, jeweils mit einer Induktivität und einem ohmschen Ersatzelement für die Verluste im Rotor bzw. Stator, wobei im Rotor eine Abhängigkeit vom Schlupf s besteht. Am Stator liegt die Spannung U1 an und es fließt der Statorstrom 11 , und am Rotor liegt die Spannung U2 an und es fließt der Rotorstrom I2. Am Verknüpfungspunkt zwischen Rotor und Stator sind Ersatzelemente angeordnet, und zwar eines für eine Induktivität Xh der Hauptfeldwick lung und ein ohmsches Ersatzelement für die sog. Eisenverluste RFE. Bei kleinen Drehzahlen können die Eisenverluste vernachlässigt werden. Dieses Ersatzschaltbild kann auch für eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit kurzgeschlossenem Stator verwendet werden, wobei entsprechend in der Darstellung Rotor und Stator zu vertauschen sind.
Ein aufbereitetes Ersatzschaltbild ist in Figur 6b dargestellte. Der linke Teil mit dem Stator ist unverändert. In dem rechten Teil betreffend den Rotor sind nunmehr zwei ohmsche Ersatze lemente angeordnet, wobei das eine R22 für die Verluste in der Rotorwicklung selbst steht und das andere für die mechanische Leistung des Triebstrangs 13 (beide Terme in Summe ergeben wiederum R2/s in Übereinstimmung mit der Darstellung in Figur 6a). Hierbei sei angemerkt, dass die Hauptfeldspannung Uh und der deren Strom L orthogonal zueinander sind, wobei gilt lh = - j * IM, und IM für den Betrag des Magnetisierungsstroms steht. In Bezug auf den phasenmäßig vari ablen Rotorstrom I2 ergibt sich somit, dass die Wirkleistung definiert ist durch das Produkt aus der Hauptfeldspannung Uh und dem Realteil des Rotorstroms I2, hier bezeichnet als I2A, und die Blindleistung definiert ist durch das Produkt aus der Hauptfeldspannung Uh und dem Imaginärteil des Rotorstroms I2, hier bezeichnet als I2B.
Daraus ergeben sich für die Modulationseinrichtung 52 folgende Beziehungen. Für die me chanische Leistung gilt Pm =-— - · R2 12 - 12 - 3 ,
s wobei 12 konjugiert komplex zu 12 ist.
Für die vom Schlupf s abhängige Statorfrequenz fs gilt fS= f +f =f + S fs’ wobei fm für die mechanische Drehzahl steht, die sich aus dem Produkt aus tatsächlicher Drehzahl n und der Polpaarzahl pp ergibt.
Für die Hauptfeldspannung gilt betrachtet vom Rotorzweig
Figure imgf000014_0001
und ferner gilt für die Hauptfeldspannung betrachtet vom Magnetisierungszweig 23 (bei ver nachlässigtem Eisenwiderstand RFe)
Uh =j - 2rfs - Lh - Ih .
Durch Einsetzen der Gleichungen und Umformung ergibt sich schließlich aufgelöst nach dem komplexen Rotorstrom 12 die Gleichung
Figure imgf000014_0002
Die Lösungen ergeben sich durch Nullsetzen des Realteils sowie des Imaginärteils. So ergibt sich für den Realteil
Figure imgf000014_0003
und für den Imaginärteil durch Auflösen der quadratischen Gleichung und Einsetzen der aus dem Realteil gewonnenen Gleichung für I2A
Figure imgf000015_0001
Mit der Nebenbedingung, dass der Wurzelterm mindestens Null betragen muss, ergibt sich für das Drehmoment M und den komplexen Strom im Hauptfeld (Magnetisierungsstrom I)
Figure imgf000015_0002
Der sich somit ergebende Mindestwert für den Magnetisierungsstrom IM (gestrichelte Linie) in Abhängigkeit von dem zu kompensierenden Drehmoment M im Triebstrang (durchgezogene Linie) ist grafisch dargestellt in Figur 7.
Die Wirkung der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 8a-8e erläutert. Anfänglich sei die Windenergieanlage 1 betrieben wie im Stand der Technik (im Zeitraum bis zum Zeitpunkt t = 4 s). Dabei ergeben sich die in Figur 8b dargestellten Werte für das antrei bende Drehmoment in der Rotorwelle 13 und die in Figur 8c dargestellten Werte für den Magnetisierungsstrom. Letzterer ist (ohne die Erfindung) konstant. Die sich dabei im Genera tor ergebende Verlustleistung ist in Figur 8d dargestellt, wobei die durchgezogene Linie die Verluste im Stator und die gestrichelte Linie die Gesamtverluste des Generators darstellt. Die resultierende mechanische Generatorleistung ist in Figur 8e mit durchgezogener Linie und die elektrische Generatorleistung mit gestrichelter Linie dargestellt.
Zum Zeitpunkt t = 4 s erfolgt eine Umschaltung auf den erfindungsgemäßen Betrieb. Das vom Wind über den Windrotor 12 auf die Rotorwelle 13 aufgebrachte Antriebsmoment ist unverändert (s. Figur 8b), d. h. es setzt sich bezogen auf den vorhergehenden konventionel len Betrieb unverändert fort. Anders der Magnetisierungsstrom (s. Figur 8c), der nun ab dem Zeitpunkt t = 4 s erfindungsgemäß gesteuert wird. Dadurch werden die Verluste im Genera tor gesteuert (moduliert), wie in Figur 8b dargestellt ist. Der Generator fungiert so als gesteu erter aktiver Dämpfer. Deutlich erkennt man, dass insbesondere die Gesamtverluste des Generators (gestrichelte Linie) stark verändert werden durch die erfindungsgemäße Ansteu- erung. Diese Gesamtverluste sind relevant für das mechanische Verhalten des Generators (Bremsmoment). Dank der erfindungsgemäßen Ansteuerung werden die Gesamtverluste so moduliert durch Steuerung des Magnetisierungsstroms, dass am Ende eine Vergleichmäßi gung der mechanischen Leistung steht (s. glatten Teil der durchgezogenen Linie in Figur 8e) Die bei herkömmlichem Betrieb (s. Zeitraum von 0 bis 4 s) bestehenden gefährlichen Leis tungspendelungen sind damit beseitigt.
Eine alternative Ausführungsform für die Hilfsspeisungseinrichtung ist in Figur 9 dargestellt. Bei dieser ist abweichend von Figur 4 der Einspeisepunkt am Umrichter anders gelegt. Er befindet sich an der Stelle„A“ (vgl. Figur 2a, b) und nicht wie bei der Ausführungsform ge mäß Figur 4 an der Stelle„B“. Damit ist auch der netzseitige Wechselrichter 32 einbezogen. Der Aufbau ist damit vereinfacht. Im Übrigen entspricht der Aufbau demjenigen gemäß Figur 4, wobei für gleichartige Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet sind. Zur Vermei dung von Wiederholungen wird auf die obenstehenden Erläuterungen zu Figur 4 verwiesen.

Claims

Patentansprüche
1. Windenergieanlage mit einem mechanischen Triebstrang (13) umfassend einen
Windrotor (12), einem von dem mechanischen Triebstrang (13) angetriebenen Gene rator (2), der mit einem Umrichter (3) zusammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung in einem Normalbetrieb und einer Steuerung (4), sowie einer Anschlusslei tung (19) zur Abgabe der erzeugten Leistung an ein Netz (9), wobei die Steuerung (4) eine Generatorregelung aufweist und dazu ausgebildet ist die Windenergieanlage zu betreiben, wobei der Windrotor (12) in einem Trudelbetrieb ungesperrt und drehbe weglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzsteuerung (5) für den Trudelbetrieb vorgesehen ist, die eine Detektorein richtung (51) für eine Drehung des Windrotors (12) mit einer Drehzahl unterhalb einer Einschaltdrehzahl umfasst, die bei einer Drehzahl des Windrotors (12) unterhalb der Einschaltdrehzahl eine Oszillations-Dämpfungseinrichtung (52) für den Generator be tätigt, die den Generator (2) als gesteuerten Dämpfer für mechanische Schwingun gen im Triebstrang (13) schaltet.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für den Genera tor (2) als gesteuerten Dämpfer eine Modulationseinrichtung (53) zur Einstellung von Verlusten im Generator vorgesehen ist.
3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Os zillations-Dämpfungseinrichtung eine Feldschwächungseinrichtung (58) aufweist zur Einstellung eines gewünschten Verlusts im Generator (2).
4. Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldschwä chung nur unterhalb eines ein-stellbaren Maximaldrehmoments aktiv ist, wobei das ein-stellbare Maximaldrehmoment (Tm) abhängig von einem Magnetisierungsstrom (IM) ist.
5. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass eine erste Berechnungseinheit (54) vorgesehen ist, die zur Berück- sichtigung von Kupferverlusten im Generator (2) ausgebildet ist und mit der Modulati onseinrichtung (53) zusammen-wirkt.
6. Windenergieanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine zweite Berechnungseinheit (55) vorgesehen ist, die mit der Modulationseinrichtung (53) zusammenwirkt und dazu ausgebildet ist, oberhalb einer einstellbaren Drehzahl grenze auch Eisenverluste im Generator (2) zu berücksichtigen.
7. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Modulationseinrichtung (53) so ausgebildet ist einen solchen Ver lust einzustellen, dass eine Leistungsabgabe der Windenergieanlage (1) vergleich mäßigt ist gegenüber der mechanischen Leistungseingabe, und insbesondere einen so hohen Verlust einzustellen, dass keine oder nur eine minimale Leistung (P) in das Netz (9) eingespeist wird.
8. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Generator (2) als ein Asynchrongenerator mit Käfigläufer ausge führt ist.
9. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Generator ein Kurzschlussschalter (37) für den Stator (21) vorgesehen ist, wobei der Generator als eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine (2‘) mit Stator (21) und Rotor (22) ausgeführt ist.
10. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Unterspannungs-speisungsgerät (8) vorgesehen ist, welches dazu ausgebildet ist im Trudelbetrieb den Zwischenkreis mit einer gegenüber dem Normal betrieb verringerten Spannung zu speisen.
11. Windenergieanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sonder steuerungsmodul (7) für den Umrichter (3) vorgesehen ist, welches dazu ausgebildet ist, den Umrichter (3) der Windenergieanlage bei betätigtem Kurzschlussschalter auf eine gegenüber dem Nor-malbetrieb abgewandelte Weise zu betreiben.
12. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Hilfsspeisungs-Einrichtung (63, 65) vorgesehen ist, die im Tru delbetrieb bei Netzausfall den Zwischenkreis (30) des Umrichters (3) mit elektrischer Energie versorgt, und vorzugsweise als Leistungssenke wahlweise schaltbar ist zur
Aufnahme von Leistung aus dem Umrichter (3).
13. Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Triebstrang umfassend einen Wndrotor, einem von dem mechanischen Triebstrang angetriebenen Genera tor, der mit einem Umrichter zusammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung in einem Normalbetrieb, sowie einer Anschlussleitung zur Abgabe der erzeugten Leis tung an ein Netz und einer Steuerung, die eine Generatorregelung aufweist und dazu ausgebildet ist die Windenergieanlage zu betreiben, wobei der Windrotor in einem Trudelbetrieb ungesperrt und drehbeweglich ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung für einen weiteren Betriebsmodus ausgebildet ist, bei dem der Wndro tor trudelt, wobei
ein Trudelbetrieb erkannt wird, und
wenn dies erkannt wird, der Generator zur Oszillationsdämpfung der mechanischen
Schwingungen im Triebstrang betätigt wird, Indem er als gesteuerter Dämpfer betrie ben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzsteuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 12 verwendet wird.
PCT/IB2019/057606 2018-08-27 2019-09-10 Windenergieanlage mit dämpfungseinrichtung für trudelbetrieb WO2020044323A1 (de)

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