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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Windenergieanlage nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 9, die zur Ausführung des
Verfahrens geeignet ist. Derartige Verfahren bzw. Windenergieanlagen
zeichnen sich durch einen Energiespeicher aus, der zur Deckung des
Eigenbedarfs der Windenergieanlage herangezogen werden kann, wenn
kein externes Versorgungsnetz verfügbar ist.
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Die
Versorgung von Windenergieanlagen bei Ausfällen des Versorgungsnetzes
stellt grundsätzlich ein Problem dar. Zunächst
kann bei einem Ausfall des Versorgungsnetzes die von der Windenergieanlage
zur Verfügung gestellte elektrische Energie nicht länger
in das Versorgungsnetz abgeführt werden. Der reguläre
Betrieb der Windenergieanlage kann daher nicht fortgesetzt werden.
In der Regel ist es erforderlich, die Windenergieanlage herunterzufahren. Gleichzeitig
kann ein verbleibender Energiebedarf der Windenergieanlage, etwa
zur Aufrechterhaltung von wichtigen Steuerungsfunktionen, nicht
aus dem Versorgungsnetz gedeckt werden.
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In
dieser Situation ist es bekannt, z. B. aus
EP 1 696 122 A2 , die Windenergieanlage
in einen sogenannten Trudelbetrieb zu versetzen. In diesem Trudelbetrieb
wird die Windenergieanlage mit einer gegenüber dem Normalbetrieb
deutlich reduzierten Drehzahl Weiterbetrieben, was sowohl bei Starkwind als
auch bei geringen Windgeschwindigkeiten möglich ist. In
diesem Betriebszustand wird mit Hilfe des Generators der Windenergieanlage
im Wesentlichen nur noch die Energie zur Verfügung gestellt,
die zur Deckung des Eigenbedarfs der Windenergieanlage benötigt
wird.
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Aus
der Druckschrift
DE
10 2004 024 563 B4 ist es bekannt, eine Windenergieanlage
in einen oben beschriebenen Trudelbetrieb zu versetzen und dann
statt des Hauptgenerators einen Hilfsgenerator einzusetzen, der
die benötigte elektrische Energie bereitstellt. Ein vergleichbares
Vorgehen ist auch aus der Druckschrift
US 2006/0001268 A1 bekannt.
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Alle
bislang beschriebenen Verfahren stoßen an ihre Grenzen,
wenn die Windgeschwindigkeit zum Betrieb der Windenergieanlage nicht
ausreicht. Dann kann der Eigenbedarf der Windenergieanlage weder aus
dem Wind noch aus dem Versorgungsnetz gedeckt werden.
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Bei
Windenergieanlagen, die speziell für die Versorgung eines
Inselnetzes konzipiert sind, ist aus der Druckschrift
EP 1 323 222 B1 bekannt
geworden, einen elektrischen Energiespeicher in den Gleichspannungszwischenkreis
eines Um richters der Windenergieanlage zu integrieren. Ein entsprechender Vorschlag
findet sich auch in der Druckschrift
DE 100 14 642 A1 . Bei diesen bekannten Verfahren
kann das Inselnetz in einem gewissen Umfang aus dem Energiespeicher
im Gleichspannungszwischenkreis versorgt werden, wenn die von der
Windenergieanlage zur Verfügung gestellte elektrische Leistung
zur Versorgung des Inselnetzes allein nicht ausreicht. Auf die Problematik
eines Ausfalls des Versorgungsnetzes, welches jeweils von einem
Inselnetz gebildet wird, gehen die genannten Druckschriften nicht
ein.
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Aus
der Druckschrift
DE
103 17 422 A1 ist eine Energieversorgungseinrichtung für
ein Windkraftwerk bekannt, die einen Energiespeicher aufweist, mit
dem der Eigenbedarf der Windenergieanlage gedeckt werden kann. Der
Energiespeicher ist als ein mit Wasserstoff befüllbarer
Gastank ausgebildet, der an ein Elektrolysegerät für
Wasser angeschlossen ist, wobei die in Form des Wasserstoffs gespeicherte
Energie über eine Brennstoffzelle wieder abgegeben werden
kann. Bei der bekannten Anlage kann der Energiespeicher geladen
werden, wenn sich die Windenergieanlage im regulären Produktionsbetrieb
befindet, oder solange ein Versorgungsnetz verfügbar ist,
das mit der Windenergieanlage verbunden ist. In beiden Fällen
wird die elektrische Energie zum Betrieb des Elektrolysegerätes
einer Hilfswicklung entnommen, die in den Haupttransformator der
Windenergieanlage integriert ist. Fällt das Versorgungsnetz
aus, wird die Windenergieanlage stillgesetzt und vom Netz getrennt.
Dann kann die Windenergieanlage ausschließlich mit Hilfe
der im Energiespeicher gespeicherten Energie versorgt werden.
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Davon
ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben
einer Windenergieanlage, die einen Energiespeicher aufweist, bei fehlender
Verfügbarkeit eines externen Versorgungsnetzes anzugeben,
das die zur Verfügung stehenden Ressourcen zur Deckung
des Eigenbedarfs der Windenergieanlage besser ausnutzt, sowie eine Windenergieanlage,
die zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind
in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
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Das
Verfahren dient zum Betreiben einer Windenergieanlage bei fehlender
Verfügbarkeit eines externen Versorgungsnetzes, wobei die
Windenergieanlage einen Rotor mit mindestens einem Rotorblatt, einen
von dem Rotor angetriebenen Hauptgenerator, ein internes Netz zur
Versorgung elektrischer Verbraucher der Windenergieanlage, einen
an das interne Netz anschließbaren Energiespeicher und
einen Haupttransformator zum Anschluss an das externe Versorgungsnetz
aufweist, und die an das interne Netz angeschlossenen Verbraucher
der Windenergieanlage aus dem Energiespeicher versorgt werden können,
wobei
- • der Hauptgenerator vom Haupttransformator
getrennt wird, wenn das Versorgungsnetz nicht verfügbar
ist,
- • die an das interne Netz angeschlossenen Verbraucher
der Windenergieanlage mit der vom Hauptgenerator zur Verfügung
gestellten elektrischen Energie versorgt werden, wenn die Windgeschwindigkeit
zur Bereitstellung einer ausreichenden elektrischen Leistung durch
den Hauptgenerator ausreicht, und
- • die an das interne Netz angeschlossenen Verbraucher
der Windenergieanlage aus dem Energiespeicher versorgt werden, wenn
die Windgeschwindigkeit zur Bereitstellung einer ausreichenden elektrischen
Leistung durch den Hauptgenerator nicht ausreicht.
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Die
fehlende Verfügbarkeit des externen Versorgungsnetzes kann
das Resultat einer Störung oder einer Beschädigung
des Versorgungsnetzes sein. Ferner kann es an der Verfügbarkeit
des Versorgungsnetzes auch dann mangeln, wenn das Versorgungsnetz
bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Windenergieanlage noch nicht
verfügbar ist, beispielsweise weil die dazu erforderlichen
Leitungs- und Anschlussarbeiten noch nicht abgeschlossen sind.
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Das
interne Netz zur Versorgung elektrischer Verbraucher der Windenergieanlage
stellt eine Art Miniatur-Inselnetz dar, an das beispielsweise Antriebsmotoren
für die Azimut- und/oder Pitchverstellung sowie elektronische
Steuereinheiten angeschlossen sind. Daher wird im Folgenden der
Betriebszustand, in dem das interne Netz über den Hauptgenerator
mit elektrischer Energie versorgt wird, als Inselnetzbetrieb bezeichnet,
und der Betriebszustand, bei dem das interne Netz aus dem Energiespeicher
mit elektrischer Energie versorgt wird, wird als Inselspeicherbetrieb
bezeichnet.
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Im
Inselnetzbetrieb wird die vom Hauptgenerator über den Hauptumrichter
zur Verfügung gestellte elektrische Leistung vorzugsweise
geregelt, d. h. an den Leistungsbedarf des internen Netzes der Windenergieanlage
angepasst.
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Im
Inselnetzbetrieb, der immer dann ausgeführt wird, wenn
die Windgeschwindigkeit zur Bereitstellung einer ausreichenden elektrischen
Leistung durch den Hauptgenerator ausreicht, werden die an das interne
Netz angeschlossenen Verbraucher der Windenergieanlage mit der vom
Hauptgenerator zur Verfügung gestellten elektrischen Energie
versorgt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn – wie erfindungsgemäß vorgesehen – der
Hauptgenerator vom Haupttransformator getrennt wird. In diesem Fall
kann der Hauptgenerator unabhängig von den elektrischen Verhältnissen
am Haupttransformator für die Versorgung des Inselnetzes
herangezogen werden. Dadurch können insbesondere potentiell
schädliche Rückwirkungen einer plötzlichen
Netzwiederkehr (Asynchronismus zwischen Windenergieanlage und Versorgungsnetz),
mit der bei einem Netzausfall stets zu rechnen ist, vermieden werden.
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Weiterhin
kann durch die Trennung des Hauptgenerators vom Haupttransformator
jederzeit ausgehend vom Inselspeicherbetrieb, in dem die an das
interne Netz angeschlossenen Verbraucher der Windenergieanlage aus
dem Energiespeicher versorgt werden, in den Inselnetzbetrieb gewechselt werden.
Dies ist möglich und sinnvoll, sobald die Windgeschwindigkeit
zur Bereitstellung einer ausreichend elektrischen Leistung durch
den Hauptgenerator ausreicht.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Deckung
des Eigenbedarfs einer Windenergieanlage auch über längere
Zeiträume sichergestellt werden, weil bei ausreichenden
Windgeschwindigkeiten ein Beitrag zur Deckung des Energiebedarfs
aus dem Wind gewonnen werden kann, und zusätzlich der Energiespeicher
zur Verfügung steht. Auf diese Weise können auch
längere Netzausfallzeiten überbrückt werden.
Die Möglichkeit, die Windenergieanlage auch bei längeren
Netzausfallzeiten mit Energie versorgen zu können, ist
von großer praktischer Bedeutung, weil eine Fortsetzung
des Betriebs der Windenergieanlage ermöglicht wird. Die
Betriebsbereitschaft der Windenergieanlage kann unabhängig
von der Verfügbarkeit des Versorgungsnetzes aufrecht erhalten
werden. Im Gegensatz zu einer in den Stillstand versetzten Windenergieanlage
kommt es während des fortgesetzten Anlagenbetriebs zu wesentlich
geringeren Verschleißerscheinungen, beispielsweise im Bereich
des Getriebes.
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Ein
weiterer Vorteil der kontinuierlichen Energieversorgung der Windenergieanlage
ist, dass diese häufig bei einer Wiederkehr des Versorgungsnetzes
wesentlich schneller wieder in den Produktionsbetrieb versetzt werden
kann. Diese Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft trägt
dazu bei, die Ertragseinbußen durch den Netzausfall zu
minimieren.
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Besondere
Vorteile bietet das Verfahren auch dann, wenn bei der Errichtung
der Windenergieanlage noch kein Versorgungsnetz verfügbar
ist. In diesem Fall ist es möglich, den Energiespeicher
in einem geladenen Zustand zur Baustelle zu trans portieren und in
die Windenergieanlage zu integrieren. Dann ist bereits ein Betrieb
der Windenergieanlage möglich, der einerseits die genannte
verschleißmindernde Wirkung entfaltet, andererseits einen
Testbetrieb der Windenergieanlage erlaubt.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Energiespeicher mit
vom Hauptgenerator zur Verfügung gestellter elektrischer
Energie aufgeladen, wenn das Versorgungsnetz nicht verfügbar
ist und die Windgeschwindigkeit zur Bereitstellung einer ausreichenden
elektrischen Leistung durch den Hauptgenerator ausreicht. Mit anderen
Worten ist es im Inselnetzbetrieb vorgesehen, den Energiespeicher über
den Hauptgenerator unter Ausnutzung des zur Verfügung stehenden
Windangebots aufzuladen. Dadurch können noch längere
Netzausfallzeiten überbrückt werden, sofern das
Windangebot ausreicht, um die Windenergieanlage in nicht zu großen Zeitabständen
in den Inselnetzbetrieb zu versetzen.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens werden die an das interne Netz
angeschlossenen Verbraucher der Windenergieanlage aus dem Energiespeicher über
einen selbstgeführten Wechselrichter versorgt, der als
Netzbildner arbeitet. Dadurch kann das interne Netz mit den gewünschten
Parameter betrieben werden, ohne dass ein Rückgriff auf
das externe Versorgungsnetz oder einen sonstigen externen Netzbildner
notwendig ist.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens ist der Hauptgenerator ein doppelt
gespeister Asynchrongenerator mit einem Statorkreis und einem Rotorkreis und
der Statorkreis wird bei Windgeschwindigkeiten unterhalb einer vorbestimmten
Grenze kurzgeschlossen. In diesem Fall arbeitet der Hauptgenerator
nicht mehr als doppelt gespeiste Asynchronmaschine, sondern wie
ein einfacher Kurzschlussläufer. Dadurch ist insbesondere
bei geringen Windgeschwindigkeiten eine bessere Leistungsausbeute
im unteren Drehzahlbereich möglich.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der mit dem Rotorkreis des
Hauptgenerators verbundene Hauptumrichter von dem selbstgeführten Wechselrichter,
der als Netzbildner arbeitet, geführt. Dadurch ist es möglich,
einen herkömmlichen, nicht selbstgeführten Hauptumrichter
für die Erfindung zu verwenden.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das interne Netz vom externen
Versorgungsnetz getrennt, wenn die an das interne Netz angeschlossenen
Verbraucher aus dem Energiespeicher oder dem Hauptgenerator versorgt
werden. Insbesondere kann eine Verbindung getrennt werden, die zwischen
dem externen Versorgungsnetz und dem internen Netz besteht, um das
interne Netz während des regulären Produktionsbetriebs
der Windenergieanlage versorgen zu können. Bei der genannten
Trennung handelt es sich um eine sicherheitsrelevante Maßnahme,
die insbesondere bei einer Netzwiederkehr Beschädigungen
des internen Netzes bzw. der daran angeschlossenen Komponenten verhindern
kann.
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Gemäß einer
Ausgestaltung des Verfahrens wird eine mit dem internen Netz verbundene
Heiz- und/oder Kühlvorrichtung für eine Komponente
der Windenergieanlage eingeschaltet, wenn eine gemessene Außentemperatur
eine vorgegebene Minimal- bzw. Maximaltemperatur unter- bzw. überschreitet. Mit
anderen Worten wird aktiv dafür Sorge getragen, dass die
betreffenden Komponenten der Windenergieanlage in einem zulässigen
Betriebstemperaturbereich verbleiben. Insbesondere ist daran gedacht, ein
Auskühlen der Windenergieanlage, was beispielsweise mit
einer verminderten Schmierung des Getriebes einhergehen kann, zu
vermeiden. Dadurch wird es möglich, die Windenergieanlage
bei Rückkehr des Versorgungsnetzes kurzfristig wieder in
den regulären Produktionsbetrieb zu versetzen.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Heiz- und/oder Kühlvorrichtung
nur eingeschaltet, wenn die Windgeschwindigkeit zur Bereitstellung
einer ausreichenden elektrischen Leistung durch den Hauptgenerator
ausreicht oder der Ener giespeicher über ein vorgegebenes
Maß hinaus gefüllt ist. Unterschreitet der Energiespeicher
einen vorgegebenen Füllstand, wird entsprechend auf das
Einhalten der gewünschten Betriebstemperatur verzichtet.
Die zu diesem Zeitpunkt in dem Energiespeicher verbleibende Energie
kann dann für höher priorisierte Zwecke, beispielsweise
für das Aufrechterhalten des Betriebs einer Steuereinrichtung,
genutzt werden.
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Die
obige Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch die Windenergieanlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Windenergieanlage sind in den sich anschließenden Unteransprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Windenergieanlage hat
- • einen Rotor mit mindestens einem
Rotorblatt,
- • einen von dem Rotor angetriebenen Hauptgenerator,
- • ein internes Netz zur Versorgung elektrischer Verbraucher
der Windenergieanlage,
- • einen an das interne Netz anschließbaren
Energiespeicher,
- • einen Haupttransformator zum Anschluss an das externe
Versorgungsnetz,
- • eine Einrichtung zum Trennen des Hauptgenerators
vom Haupttransformator,
- • eine Einrichtung zum Einspeisen der elektrischen
Energie aus dem Energiespeicher in das interne Netz, wobei
- • eine Einrichtung zum Einspeisen der vom Hauptgenerator
zur Verfügung gestellten elektrischen Energie in das interne
Netz vorhanden ist, die unabhängig vom Haupttransformator
mit dem Hauptgenerator verbindbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Windenergieanlage ist insbesondere
zur Ausführung des oben im Einzelnen erläuterten
Verfahrens geeignet. Insbesondere ist es durch die vorgesehene Trennung
des Hauptgenerators vom Haupttransformator und die Einrichtung zum
Einspeisen der vom Hauptgenerator zur Verfügung gestellten
elektrischen Energie in das interne Netz, die unabhängig
vom Haupttransformator mit dem Hauptgenerator verbindbar ist, möglich,
den Energiebedarf der Verbraucher des internen Netzes der Windenergieanlage
sowohl aus dem Energiespeicher (Inselspeicherbetrieb) als auch mit
Hilfe des Hauptgenerators aus einem zur Verfügung stehenden
Windangebot zu decken (Inselnetzbetrieb).
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Der
Energiespeicher kann grundsätzlich ein beliebiger Energiespeicher
sein, der eine ausreichende Menge elektrischer Energie speichern
kann. Denkbar ist beispielsweise die Verwendung der eingangs skizzierten
Wasserstofftechnologie, die einen Wasserstoffspeicher mit einem
Elektrolysegerät und einer Brennstoffzelle kombiniert.
In einer Ausgestaltung der Windenergieanlage wird jedoch ein elektrochemischer
Speicher verwendet, insbesondere ein Akkumulator. In Betracht kommt
beispielsweise ein Blei-Säure-Akkumulator oder auch Hochtemperatur-Akkumulatoren,
etwa Natrium-Schwefel-Akkumulatoren (NaS) oder Natrium-Nickel-Chlorid-Akkumulatoren
(NaNiCl). Die verwendeten Akkumulatoren können beispielsweise
Einspeichervermögen von 100 kWh oder mehr aufweisen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Windenergieanlage ist die Einrichtung zum Einspeisen
der vom Hauptgenerator zur Verfügung gestellten elektrischen
Energie in das interne Netz ein mit dem internen Netz verbindbarer
Transformator. Grundsätzlich ist als Einrichtung zum Einspeisen
auch eine unmittelbare Verbindung mit dem internen Netz möglich. Die
Zwischenschaltung eines Transformators erlaubt jedoch eine galvanische
Trennung und eine Anpassung der sich gegenüberstehenden
Spannungsniveaus.
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In
einer Ausgestaltung weist die Einrichtung zum Einspeisen der elektrischen
Energie aus dem Energiespeicher in das interne Netz einen selbstgeführten
Wechselrichter auf, der als Netzbildner arbeitet. Der selbstgeführte
Wechselrichter kann sowohl im Inselnetzbetrieb als auch im Inselspeicherbetrieb der
Netzbildner sein. Mit dem Wechselrichter können die zum
Betrieb des internen Netzes erforderlichen Spannungs- und Stromparameter
eingehalten werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung ist der Hauptgenerator ein doppelt gespeister Asynchrongenerator mit
einem Statorkreis und einem Rotorkreis und der Statorkreis ist über
eine erste Schalteinrichtung mit der Einrichtung zum Trennen des
Hauptgenerators vom Haupttransformator und über eine zweite Schalteinrichtung
mit einem Kurzschlusselement verbindbar. Diese Anordnung erlaubt
ein Kurzschließen des Statorkreises. Das Kurzschlusselement
kann einen unmittelbaren Kurzschluss der jeweiligen Statorwicklungen
bewirken, es kann jedoch auch weitere Elemente, beispielsweise einen
Schlupfwiderstand, enthalten.
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In
einer Ausgestaltung der Windenergieanlage ist eine weitere Einrichtung
zum Einspeisen von elektrischer Energie in das interne Netz vorhanden, die
mit der Niederspannungsseite des Haupttransformators und mit der
Einrichtung zum Trennen des Hauptgenerators vom Haupttransformator
verbindbar ist. Mit Hilfe dieser Einrichtung zum Einspeisen, die
beispielsweise wieder ein Transformator sein kann, ist insbesondere
eine Versorgung des internen Netzes im regulären Produktionsbetrieb
der Windenergieanlage möglich. Alternativ zur Verwendung
eines gesonderten Transformators oder einer unmittelbaren Verbindung,
was bei entsprechenden Spannungsniveaus ebenfalls denkbar ist, kann
der Haupttransformator als Einrichtung zum Einspeisen eine geeignete
Hilfswicklung aufweisen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Windenergieanlage ist eine Heiz-
und/oder Kühlvorrichtung für eine Komponente der
Windenergieanlage vorhanden, die mit dem internen Netz verbindbar
ist. Gemäß einer Ausgestaltung gibt es darüber
hinaus eine Steuereinrichtung mit einer Einrichtung zum Überwachen
des Füllstands des Energiespeichers, die zum Vergleich
eines Messwerts für die Außentemperatur mit einem
vorgegebenen Maximal- oder Minimalwert und zur Aktivierung der Heiz-
bzw. Kühleinrichtung in Abhängigkeit vom Füllstand
des Energiespeichers ausgebildet ist. Diese Ausgestaltungen ermöglichen es,
einen vorgegebenen Betriebstemperaturbereich einzuhalten, was bereits
in Verbindung mit den zugehörigen Verfahren im Einzelnen
erläutert wurde.
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In
einer Ausgestaltung der Windenergieanlage ist ein Filterelement
vorhanden, das zwischen dem Ausgang einer mit dem Energiespeicher
verbundenen Umformeinheit und dem internen Netz angeordnet ist.
Das Filterelement dient zur Aufbereitung, insbesondere zur Glättung,
der von dem Energiespeicher in das interne Netz einzuspeisenden elektrischen
Energie. Es handelt sich beispielsweise um ein Sinusfilter, das
die Spannung verbraucherkonform gestaltet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in zwei Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte, schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Windenergieanlage;
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2 ein
Flussdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Die
in 1 dargestellte Windenergieanlage weist einen Rotor 10 mit
mindestens einem Rotorblatt auf, der über eine Rotorwelle
mit einem Getriebe 12 verbunden ist. Über das
Getriebe 12 wird der Hauptgenerator 14, der ein
doppelt gespeister Asynchrongenerator ist, angetrieben. Der doppelt
gespeiste Asynchrongenerator 14 weist einen Statorkreis 16 und
einen Rotorkreis 18 auf. Die drei Phasen des Rotorkreises 18 sind
mit einem Maschinenstromrichter 22 verbunden, der Teil
eines Hauptumrichters 20 ist. Die Gleichspannungsseite
des Maschinenstromrichters 22 ist über einen Gleichspannungszwischenkreis 24,
in dem eine Kapazität 26 angeordnet ist, mit der Gleichspannungsseite
des Netzstromrichters 28 verbunden, der ebenfalls zum Hauptumrichter 20 gehört.
Die Wechselspannungsseite des Netzstromrichters 28 ist über
ein Schütz 32, in der Figur als Netzschütz
bezeichnet, mit dem Knotenpunkt 34 verbunden, der sich
zwischen dem Statorkreis 16 und dem Versorgungsnetz 44 befindet.
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Der
Statorkreis 16 des Hauptgenerators 14 ist über
ein weiteres Schütz 30, in der Figur als Statorschütz
bezeichnet, ebenfalls mit dem Knotenpunkt 34 verbunden.
Der Statorkreis 16 ist über ein Schütz 66,
das in der 1 als Kurzschlußschütz
bezeichnet wird, mit einem Stator-Kurzschlusselement 68 verbindbar.
Durch Schließen des Schützes 66 werden
die Phasen des Statorkreises 16 jeweils kurzgeschlossen.
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Weiterhin
ist der Knotenpunkt 34 mit einer Einrichtung zum Trennen 36 in
Form eines Leistungsschalters verbunden. Durch Öffnen dieses
Leistungsschalters 36 kann der Hauptgenerator 14 vom Haupttransformator 40 getrennt
werden. Die Niederspannungsseite des Haupttransformators 40 ist über den
Leistungsschalter 36 mit dem Knotenpunkt 34 verbunden.
Die Mittelspannungsseite des Haupttransformators 40 ist über
einen Mittelspannungsschalter 42 mit dem Versorgungsnetz 44 verbunden.
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Zwischen
der Niederspannungsseite des Haupttransformators 40 und
dem Leistungsschalter 36 befindet sich ein weiterer Knotenpunkt 38,
mit dem eine Einrichtung zum Einspeisen in das interne Netz 46 der
Windenergieanlage verbunden ist. Die Einrichtung zum Einspeisen
ist ein Transformator 48. Über ein weiteres Schlitz 58 ist
er mit dem internen Netz 46 der Windenergieanlage verbunden.
An das interne Netz 46 der Windenergieanlage sind elektrische
Verbraucher der Windenergieanlage angeschlossen, beispielsweise
elektronische Steuereinrichtungen und Antriebsmotoren für
die Azimut- und Blatteinstellwinkelverstellung sowie Heiz- und Kühleinrichtungen.
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Im
regulären Produktionsbetrieb, d. h. bei Verfügbarkeit
des Versorgungsnetzes 44 und ausreichendem Windangebot,
bei dem elektrische Energie in das Versorgungsnetz 44 eingespeist
wird, wird das interne Netz 46 der Windenergieanlage über
den Transformator 48 versorgt.
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Als
weitere Versorgungsmöglichkeit für das interne
Netz 46 der Windenergieanlage ist ein Energiespeicher 50 in
Form eines Akkumulators vorhanden. Der Akkumulator 50 weist
ein Speichervermögen von beispielsweise 200 kWh auf. Der
Akkumulator 50 ist über eine Umformeinrichtung
in Form eines bidirektional betreibbaren, selbstgeführten
Wechselrichters 52 an einen Knotenpunkt 64 angeschlossen. Optional
erfolgt der Anschluss über ein Sinusfilter 54, das
die von dem Wechselrichter 52 zur Verfügung gestellte
elektrische Spannung glättet.
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Der
Knotenpunkt 64 ist über ein Schütz 56 mit
dem internen Netz 46 der Windenergieanlage verbindbar.
Das Schutz 56 ist mit dem Schütz 58 gekoppelt
in der Art, dass beim Öffnen des Schützes 58 das
Schütz 56 automatisch geschlossen wird und umgekehrt.
Durch das Schütz 58 wird dadurch automatisch das
interne Netz 46 der Windenergieanlage vom externen Versorgungsnetz 44 getrennt,
wenn die an das interne Netz 46 angeschlossenen Verbraucher über
das Schütz 56 aus dem Energiespeicher 50 versorgt
werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass zuerst das Schütz 58 die
Verbindung zum externen Versorgungsnetz trennt und nachfolgend die
alternative Verbindung durch das Schutz 56 hergestellt wird
und umgekehrt, wenn die Anlage wieder an das Versorgungsnetz geht.
Zwischen den Schaltvorgängen der Schütze 56 und 58 sollte
eine Zeitverzögerung liegen, die z. B. durch konstruktive
mechanische Gestaltung der Schütze 56, 58 oder
durch entsprechende Programmierung eines Steuerungsprogramms realisiert
werden kann.
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Die
Windenergieanlage aus 1 weist weiterhin eine Einrichtung
zum Einspeisen der vom Hauptgenerator zur Verfügung gestellten
elektrischen Energie in das interne Netz 46 der Windenergieanlage
in Form eines Transformators 60 auf, der mit dem Knotenpunkt 34 verbunden
ist und mit dem Schutz 32 mit dem Hauptumrichter 20 verbindbar
ist. Die Sekundärseite des Transformators 60 ist über
ein weiteres Schütz 62, in der Figur als Ladeschütz
bezeichnet, mit dem Knotenpunkt 64 verbunden. Mit Hilfe
des Transformators 60 kann über das Schütz 62 elektrische
Energie vom Hauptgenerator 14 bzw. vom Hauptumrichter 20 in
das interne Netz 46 der Windenergieanlage und/oder in den
Energiespeicher 50 eingespeist werden.
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Der
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand
des in der 2 dargestellten Flussdiagramms
erläutert, wobei gegebenenfalls auf die in 1 dargestellten
Komponenten Bezug genommen wird. Das Verfahren beginnt bei 100 mit
einer Überprüfung der Verfügbarkeit des
Versorgungsnetzes. Als Kriterium für die Feststellung einer
fehlenden Verfügbarkeit des Versorgungsnetzes wird der Wegfall
des Versorgungsnetzes 44 für eine bestimmte Zeitdauer,
im Ausführungsbeispiel fünf Minuten oder mehr,
definiert. Ist das Versorgungsnetz für diesen Mindestzeitraum
nicht verfügbar, verbleibt die Windenergieanlage im bzw.
schaltet in den regulären Produktionsbetrieb 102,
in dem elektrische Energie in das Versorgungsnetz 44 eingespeist
werden kann.
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Wird
hingegen die Nichtverfügbarkeit des Netzes festgestellt,
wird bei 104 das Schütz 56 (siehe 1)
geschlossen, der Leistungsschalter 36 geöffnet
und das Schütz 58, das in der bereits beschriebenen
Weise mit dem Schütz 56 gekoppelt ist, geöffnet. Mithin
ist in diesem Betriebszustand keine Einspeisung von elektrischer
Energie in das Versorgungsnetz 44 mehr möglich
und die Versorgung des internen Netzes 46 der Windenergieanlage
muss über den Knotenpunkt 64 erfolgen.
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Bei 106 wird überprüft,
ob eine gemessene Windgeschwindigkeit vwind zur
Bereitstellung einer ausreichenden elektrischen Leistung durch den Hauptgenerator
ausreicht. Dies erfolgt im Ausführungsbeispiel anhand des
Kriteriums, ob die gemes sene Windgeschwindigkeit vwind größer
ist als eine Mindestwindgeschwindigkeit vcut-in.
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Als
nächstes wird bei 108 überprüft,
ob sich die Windenergieanlage im Produktionsbetrieb befindet, d.
h. ob vom Hauptgenerator 14 elektrische Energie zur Verfügung
gestellt wird.
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Ist
dies der Fall, erfolgt bei 110 eine allgemeine Überprüfung
des Zustands des Energiespeichers 50. Ist der Energiespeicher 50 betriebsbereit,
wird bei 112 der Füllstand des Speichers überprüft.
Ist der Speicher nicht gefüllt, d. h. beispielsweise nicht
zu mehr als 98% gefüllt, wird der Energiespeicher bei 114 geladen.
Dies erfolgt bei geschlossenem Schlitz 62 über
den Transformator 60 und den Knotenpunkt 64 mit
Hilfe des Wechselrichters 52 (siehe 1). Wird
bei 112 festgestellt, dass der Energiespeicher 50 gefüllt
ist, wird der Batterieladevorgang bei 116 abgeschaltet.
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Parallel
zu den Vorgängen 110 bis 116 wird bei 118 die
Außentemperatur Taußen überprüft
und gemäß dem geschilderten Ausführungsbeispiel
mit einer Mindesttemperatur zum Betrieb der Windenergieanlage TWEA,min verglichen. Unterschreitet die gemessene
Außentemperatur Taußen die
Mindesttemperatur TWEA,min, wird bei 120 eine
Heizvorrichtung eingeschaltet. Anschließend geht es zurück
zur Überprüfung 118. Wird im Schritt 118 hingegen
festgestellt, dass die Außentemperatur Taußen die
Mindesttemperatur TWEA,min überschreitet,
wird die Heizvorrichtung bei 122 ausgeschaltet.
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Wird
im bereits erläuterten Schritt 108 festgestellt,
dass sich die Windenergieanlage nicht im Produktionsbetrieb befindet,
wird zunächst bei 124 das Schütz 62 (siehe 1)
geschlossen, bei 126 die Windenergieanlage mit der Azimut-Verstellung
in den Wind gedreht und werden bei 128 die Rotorblätter
auf einen vorgegebenen Blatteinstellwinkel eingestellt. Anschließend
wird bei 130 das Schlitz 30 geöffnet
und das Schlitz 66 geschlossen, was zum Kurzschluss des
Statorkreises 16 des Hauptgenerators 14 führt.
Anschließend wird der Rotor mit Hilfe des Hauptumrichters 20 magnetisiert.
Infolgedessen wird vom Hauptgenerator 14 elektrische Energie
zur Verfügung gestellt und die Windenergieanlage befindet sich
im Produktionsbetrieb. Es schließen sich die bereits erläuterten
Verfahrensschritte 110 und 118 an.
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Bei 134 erfolgt
eine Überprüfung der Netzverfügbarkeit.
Ist das Netz weiterhin nicht verfügbar, wird das Verfahren
mit einer Wiederholung des Schrittes 106, d. h. der Überprüfung
der vorliegenden Windgeschwindigkeit, fortgesetzt. Ist das Netz
hingegen wieder verfügbar, wird das Schlitz 62 geöffnet, das
Schütz 56 wird geöffnet, wobei automatisch
das gekoppelte Schütz 58 geschlossen wird, und
der Leistungsschalter 36 wird geschlossen. Durch diese Maßnahmen
kann bei 136 der reguläre Produktionsbetrieb der
Windenergieanlage wieder aufgenommen werden.
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Im
Unterschied zu der bislang beschriebenen Betriebsart, die als Inselnetzbetrieb
bezeichnet wird, wird die Windenergieanlage in den sogenannten Inselspeicherbetrieb
versetzt, wenn im Schritt 106 eine Windgeschwindigkeit
gemessen wird, die zur Bereitstellung einer ausreichenden elektrischen Leistung
durch den Hauptgenerator nicht ausreicht. In diesem Fall erfolgt
eine Überprüfung der Außentemperatur
Taußen im Schritt 138.
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Ist
die Außentemperatur größer als eine Mindesttemperatur
für den Betrieb der Windenergieanlage TWEA,min,
wird bei 140 das Fortbestehen der Nichtverfügbarkeit
des Versorgungsnetzes 44 überprüft. Wird
eine Wiederkehr des Netzes festgestellt, wird der Leistungsschalter 36 geschlossen
und das Schlitz 56 geöffnet. Auf diese Weise kann
die Windenergieanlage bei 136 wieder in den regulären
Produktionsbetrieb versetzt werden. Kann eine Wiederkehr des Netzes
bei 140 nicht festgestellt werden, wird das Verfahren mit
dem Schritt 106 fortgesetzt.
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Dabei
können ggfs. wie bei 142 angegeben, weniger wichtige
Steuereinheiten deaktiviert werden, um den Energieverbrauch der
Windenergieanlage zu senken.
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Wird
im Schritt 138 eine Außentemperatur Taußen unterhalb
der Mindesttemperatur TWEA,min festgestellt,
erfolgt bei 144 eine Überprüfung des
Zustands des Energiespeichers. Ist der Energiespeicher 50 betriebsbereit,
wird bei 146 eine Heizvorrichtung eingeschaltet. Dieser
Zustand wird beibehalten, bis bei 148 ein Füllstand
des Energiespeichers 50 unterhalb eines definierten Mindestwerts,
im Ausführungsbeispiel ein Füllstand von weniger
als 40%, festgestellt wird. In diesem Fall wird das Verfahren mit
dem bei 142 beschriebenen Schritt fortgesetzt, wobei gemäß Schritt 150 die
Heizvorrichtung ausgeschaltet wird.
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Bei
noch ausreichendem Füllstand des Energiespeichers 50 im Überprüfungsschritt 148 wird
bei 152 überprüft, ob die fehlende Verfügbarkeit
des Versorgungsnetzes 44 noch anhält. Ist dies
der Fall, wird das Verfahren mit einer Wiederholung des Schritts 106 fortgesetzt.
Ist das Versorgungsnetz 44 hingegen wieder verfügbar,
wird die Windenergieanlage durch Schließen des Leistungsschalters 36 und Öffnen
des Schützes 56 wie bereits erläutert
für den regulären Produktionsbetrieb bei 136 vorbereitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1696122
A2 [0003]
- - DE 102004024563 B4 [0004]
- - US 2006/0001268 A1 [0004]
- - EP 1323222 B1 [0006]
- - DE 10014642 A1 [0006]
- - DE 10317422 A1 [0007]