DE19651364A1

DE19651364A1 - Vorrichtung zur Verbesserung der Netzverträglichkeit von Windkraftanlagen mit Asynchrongeneratoren

Info

Publication number: DE19651364A1
Application number: DE19651364A
Authority: DE
Inventors: Guenter Schmidt
Original assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Current assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 1998-06-25

Description

Gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bezieht sich die vorlie gende Erfindung auf eine Vorrichtung zur Verbesserung der Netz verträglichkeit von Windkraftanlagen mit Asynchrongeneratoren, die an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen sind.

Windenergieanlagen, die an ein Stromversorgungsnetz gekoppelt sind, sind im Stand der Technik wohlbekannt. Problematisch an diesen netzgekoppelten Windkraftanlagen ist die Tatsache, daß die elektrischen Schwankungen einer derartigen Windkraftanlage verhältnismäßig groß sind, da Schwankungen der Windkraft sich direkt auf die Leistungsabgabe der Asynchrongeneratoren aus wirkt.

Ein anderes Problem stellt die Wechselwirkung von untereinander gekoppelten Windkraftanlagen dar. Ein wesentlicher Auslöser der artiger Störungen ist der sogenannten Turmstaueffekt, d. h. daß eine Leistungsschwankung entsteht, wenn das Rotorblatt einer Windkraftanlage im Turmbereich eine Zone verringerter Windge schwindigkeit durchquert. Beim Synchronlaufüberlagern sich die Schwankungen der einzelnen Anlagen im gemeinsamen Netzeinspeise punkt zu einer maximalen Spannungsschwankung, die zu einem er heblichen Flicker führt. Die Wechselwirkung zwischen den Wind kraftanlagen erfolgt über die aus den Leistungsschwankungen re sultierenden Spannungsschwankungen.

Der Betrieb einer Windkraftanlage am Netz ist dann zulässig, wenn bestimmte Grenzwerte der Spannungsschwankungen nicht über schritten werden. Die Spannungsänderungen ΔU müssen ≦ 3% sein, und der Langzeitflicker A_t ist ≦ 0,1 zu halten.

Ein- und Ausschaltvorgänge führen ebenfalls zu Spannungsänderun gen. Drehzahlvariable Windkraftanlagen haben netzgeführte Fre quenzumrichter, die für Oberschwingungen verantwortlich sein können. Diese wirken sich störend auf andere Verbraucher aus und erzeugen zusätzliche Verluste und Erwärmungen im Netz.

Der Einschaltvorgang einer Windkraftanlage mit direkt netzgekop peltem Asynchrongenerator läuft üblicherweise wie folgt ab: Nach dem Einschaltsignal bleibt die Anlage zunächst noch eine gewisse Zeit, beispielsweise 1 Minute, in Ruheposition. Danach wird die Anlage ohne Netzkopplung vom Wind hochgefahren, bis die Syn chrondrehzahl erreicht ist. In diesem Moment schaltet ein Thyri storsteller den Generator auf das Netz, wobei der Thyristorstel ler den Einschaltstrom des Generators begrenzt. Nach einigen Se kunden wird der Thyristorsteller durch ein Netzschütz über brückt, so daß der Generator direkt am Netz liegt. Beim Auf schalten einer einzelnen Windkraftanlage ist ein verhältnismäßig großer Blindleistungsbedarf notwendig. Diese Blindleistung bela stet das Netz ebenfalls. Ähnliche Verhältnisse herrschen beim Aufschalten von Windkraftanlagen in einem sogenannten Windpark, bei dem eine Mehrzahl von Windkraftanlagen zusammengeschaltet sind.

Ein Thyristorsteller erzeugt durch die Phasenanschnittsteuerung Oberschwingungen höherer Ordnung. Die langwelligen Leistungs schwankungen, die ebenfalls auftreten, werden durch eine Vielzahl von Parametern erzeugt, die an dieser Stelle nicht näher erläutert werden.

Der Gesamtkomplex dieser oben aufgezeigten Probleme birgt eine Menge zu lösender Einzelaufgaben, die durch die Vielzahl der Windkraftanlagen und die Leistungssteigerung in den Megawattbe reich besonders relevant erscheinen. Um die vorhandene Aufnahme fähigkeit der EVU-Netze weitmöglichst auszunutzen, ist daher eine Verbesserung der Netzverträglichkeit der Windkraftanlagen wünschenswert. Viele Windkraftanlagen, die bereits an das EVU- Netz direkt gekoppelt sind, haben zwar den Vorteil, daß sie ro buste Generatoren sowie einfache Steuerschränke und oberwellen freie Netzströme erzeugen und darüber hinaus einfach und kosten günstig sind, weisen jedoch durch die starre Netzkopplung erheb liche Netzflicker-Rückwirkungen je nach Rotordrehzahl zwischen 1 bis 2 Hz auf. Dieser Effekt tritt besonders bei großen Wind kraftanlagen auf und führt dazu, daß nur wenige Windkraftanlagen an ein vorhandenes EVU-Netz angeschlossen werden dürfen.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich tung bereitzustellen, die in der Lage ist, die Netzverträglich keit mindestens einer Windkraftanlage mit einfachen kostengün stigen Mitteln zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Danach ist die erfindungsgemäße Windkraftanlage mit einem vom Wind getriebenen Rotor, der mechanisch mit einem Asynchrongene rator gekoppelt ist, der an ein öffentliches Stromversorgungs netz angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einenrechnerge steuerten Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis und einem Zwischenspeicher, der kurzfristige, vom Leistungsmittelwert ab weichende positive Leistungsschwankungen aufnimmt und zeitver setzt wieder abgibt.

Die Methode, nach der diese Windkraftanlage zur Verbesserung der Netzverträglichkeit mit Asynchrongeneratoren bei Zuschaltung an das öffentliche Stromversorgungsnetz arbeitet, zeichnet sich da durch aus, daß eine elektronisch gesteuerte Einrichtung die kurzfristigen, vom Mittelwert abweichenden positiven Leistungs schwankungen aufnimmt und zeitversetzt wieder abgibt.

Ein Grundgedanke dieser Erfindung ist es, die Netzverträglich keit eines Asynchrongenerators dadurch zu verbessern, daß ein Zwischenspeicher vom Mittelwert überschüssige Leistung aufnimmt und zu einem passenden Zeitpunkt später wieder abgibt. Dadurch wird die Leistungsabgabe gelättet und der Flickerwert ernied rigt. Für den Fall, daß lediglich die Energie der Leistungs schwankungen aufgenommen werden soll, reicht ein Speicher aus, der beispielsweise 10% der Nennleistung bei einer Speicherdauer von maximal einigen Sekunden aufweist. Um Leistungsspitzen bei auftretenden Schaltvorgängen bei geladenem Zwischenspeicher zu verhindern, wird die überschüssige Energie dann in Wärme umge setzt.

Die Steuerung besteht vorzugsweise aus einem rechnergesteuerten Umrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis, in dem Spulen bzw. Kondensatoren oder andere Speichermittel als Zwischenspeicher eingesetzt werden können. Die Energieableitung kurzfristiger Leistungsspitzen höherer Ordnung werden mittels eines passiven Bauelements abgeleitet, wobei das Bauelement als Heizelement ausgebildet sein kann.

Vorteilhafterweise ist der Umrichter ein Wechselrichter, mit einem Gleichstromzwischenkreis, das heißt, daß der Wechselstrom in Gleichstrom und anschließend wieder in Wechselstrom umgerich tet wird. Derartige Umrichter sind kommerziell Stand der Tech nik.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im nun folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Prinzipschaltung der gesamten Wind kraftanlage (1);

Fig. 2 ein Zeit-Leistungsdiagramm, bei dem eine Schaltspitze (8) auftritt;

Fig. 3 ein Zeit-Leistungsdiagramm, bei dem eine Leistungsspitze (8') über der maximal zulässigen Leistung (P_max) auf tritt.

Die Fig. 1 zeigt eine Prinzipschaltung der gesamten Windkraftan lage 1. Die Windkraftanlage 1 weist einen Rotor 2 auf, dessen Rotorblätter (hier drei) je nach Windrichtung und Windstärke verstellbar sind. Die Rotorebene kann dabei vertikal oder hori zontal liegen. Kraftschlüssig mit dem Rotor 2 ist ein Asynchron generator 3 verbunden, der eine abzugebende elektrische Leistung erzeugt. Diese elektrische Leistung wird in das öffentliche Netz 5 bei Bedarf eingespeist, das im allgemeinen die Phasen R, S, T aufweist. Diesem öffentlichen Netz 5 ist die erfindungsgemäße Einrichtung 4 parallelgeschaltet, die eine Mehrzahl von Schal tern 11, 12, 13 beinhaltet. In dieser elektronisch gesteuerten Einrichtung 4 befindet sich ebenfalls ein kommerziell erhältli cher Umrichter, der Wechselstrom über einen Gleichstromkreis in Wechselstrom wandelt. Da dieser Umrichter nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, wird er an dieser Stelle nicht näher beschrieben. Zu der elektronisch gesteuerten Einrichtung 4 ge hört als Kernstück ein Zwischenspeicher 7, der kurzfristige, vom Mittelwert abweichende positive Leistungsschwankungen aufnimmt und sie mittels elektronisch gesteuerter Schalter 11, 12, 13 zeitversetzt wieder abgibt. Der zeitliche Abstand wird durch die elektronische Steuerung geregelt. Für den Fall, daß die maximal zulässige Leistungsabgabe der Windkraftanlage 1 erreicht ist, wird die gespeicherte Energie im Speicher 7 über einen Schalter 12 und ein passives Bauelement 10 abgeleitet. Dieses passive Bauelement 10 kann beispielsweise ein Heizelement, d. h. ein ohm scher Widerstand.

Als Zwischenspeicher 7 kommen verschiedene Speichermittel in Frage, beispielsweise eine Spule ausreichender Induktivität (L) oder ein Kondensator mit ausreichender Kapazität (C). Denkbar ist auch eine mechanische Energiespeicherung mittels eines Schwungrades oder dergleichen.

In Fig. 2 ist ein Zeit-Leistungsdiagramm P(t) gezeigt, in dem Schwankungen vom Leistungsmittelwert eingetragen sind. Im vorde ren Teil des Diagramms sind regelmäßige Leistungsschwankungen eingezeichnet, die primär beim Flügeldurchgang durch den Turm schatten erzeugt werden. Die Frequenz derartiger regelmäßiger Schwankungen liegt zwischen 1 bis 3 Hz. Unabhängig davon treten bei verschiedenen Schaltvorgängen unkontrollierte Schaltspitzen 8 auf, die sich störend auf die Netzverträglichkeit der Wind kraftanlage 1 auswirken, wie dies weiter oben bereits erwähnt wurde. Diese Spannungsspitzen 8 dürfen grundsätzlich einen in den DIN-Vorschriften festgelegten Grenzwert von ca. 3% nicht überschreiten. Diese Schaltspitzen 8 können mittels eines erfin dungsgemäßen Zwischenspeichers 7 aufgefangen werden, um damit eine relative Glättung der eingespeisten Leistung zu erzielen, wodurch die Netzverträglichkeit erheblich verbessert wird.

In Fig. 3 ist ein Zeit-Leistungsdiagramm dargestellt, in dem als Grenzwert die maximal einzuspeisende Leistung P_max parallel zur Zeitachse (t) verläuft. Für den Fall, daß die maximale zulässige Einspeiseleistung (P_max) überschritten wird, ist es Aufgabe der elektronischen Steuereinrichtung 4 die überschüssige Leistung 8' über ein passives Bauelement 10 abzuleiten, indem der Schalter 12 geschlossen wird.

Die vorliegende Erfindung dient also dazu, Leistungs- bzw. Span nungsspitzen, die während der Schaltvorgänge im Netz auftreten, zu vermindern, um damit die Netzverträglichkeit von Windkraftan lagen oder auch anderen Stromerzeugungsanlagen wie beispiels weise photovolatische Erzeugerquellen zu verbessern.

Claims

1. Windkraftanlage mit einem vom Wind getriebenen Rotor (2) der mechanisch mit einem Asynchrongenerator (3) gekoppelt ist, wobei der Asynchrongenerator (3) an ein öffentliches Stromversorgungsnetz (5) angeschlossen ist, gekenn zeichnet durch einen rechnergesteuerten Umrichter (6) mit einem Gleichstromzwischenkreis mit Zwischenspeicher (7), der kurzfristige, vom Leitungsmittelwert (9) abwei chende positive Leistungsschwankungen (8) aufnimmt und zeitversetzt wieder abgibt.

2. Windkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der mindestens eine Zwischenspeicher (7) ca. 10% der Nennleistung des Asynchrongenerators (3) wäh rend mindestens einer Sekunde aufnimmt.

3. Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der rechnergesteuerte Umrichter (6) mindestens einen elektronisch gesteuerten Schalter (11, 12, 13) aufweist.

4. Windkraftanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (7) mittels eines passiven Bauelements (10) über einen Schalter (12) entladen wird.

5. Verfahren zur Verbesserung der Netzverträglichkeit von Windkraftanalagen mit Asynchrongeneratoren (3), die an das öffentliche Stromversorgungsnetz (5) gekoppelt sind, ge kennzeichnet durch eine elektronisch gesteuerte Ein richtung (4), die kurzfristige, vom Mittelwert abweichende positive Leistungsschwankungen aufnimmt und zeitversetzt wieder abgibt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronisch gesteuerte Einrichtung (4) in der Lage ist, 10% der Nennleistung des Asynchrongenerators (3) wäh rend einiger Sekunden aufzunehmen.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß kurzfristige Leistungsspitzen (8) höherer Ordnung mit tels eines passiven Bauelements (10) abgeleitet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung des Zwischenspeichers (7) über ein passives Bauelement (10) abgeleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieableitung so gesteuert ist, daß eine Lei stungsabgabe oberhalb der maximal zulässigen Einspeisungs leistung vermieden wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (7) eine Spule ist.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (7) ein Kondensator ist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das passive Bauelement (10) ein ohmscher Widerstand ist.

13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (7) ein mechanisches Schwungrad ist.