DE3342583C2

DE3342583C2 - Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE3342583C2
Application number: DE3342583A
Authority: DE
Inventors: Herrmann Dipl.-Ing. Hald; Jens-Peter Dipl.-Ing. 7250 Leonberg Molly
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1983-11-25
Filing date: 1983-11-25
Publication date: 1986-02-27
Also published as: DE3342583A1

Abstract

Um bei einem Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage mit einem windkraftgetriebenen Rotor zum Antrieb eines elektrische Energie erzeugenden Generators, bei welchem man durch eine Rotorblattverstellung die Leistungsaufnahme des Rotors der Windkraftanlage steuert, die Leistungsabgabe bezogen auf die Baugröße des Generators zu erhöhen, wird vorgeschlagen, daß man die Temperatur des Generators überwacht und die Leistungsaufnahme des Rotors in Abhängigkeit von dieser Temperatur so steuert, daß eine kritische Generatortemperatur nicht überschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Windkraftanlagen dieser Art arbeiten bei sehr unterschiedlichen Windstärken. Es ist daher notwendig, entweder den elektrischen Generator für die höchsten auftretenden Windstärken auszulegen oder bei einem schwächer ausgelegten Generator die Leistungsaufnahme des Generators zu begrenzen, beispielsweise durch Verstellung der Rotorblätter. Dadurch kann das vom Wind auf den Rotor übertragene Drehmoment eingestellt werden.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird eine Leistungsregelung verwendet, bei welcher die Rotorblattverstellung in Abhängigkeit von einer größeren Anzahl von Parametern erfolgt, die alle gleichzeitig erfaßt werden, beispielsweise ein Windgeschwindigkeitssignal, ein Turbulenzfaktorsignal, ein Blattbelastbarkeitssignal etc. (DE-OS 31 50 824). Dabei wird auch ein »Generatorumgebungstemperatursignal« für die Leistungsregelung benutzt. Dieses Temperatursignal ist pauschal ein Maß für die Umgebungstemperatur am Aufstellungsort, die durch die Umwelteinflüsse am Aufstellungsort bestimmt ist, beispielsweise durch die Sonneneinstrahlung, die Windauskühlung etc. Es ist damit jedoch nur möglich, die pauschalen Umwelteinflüsse zu berücksichtigen, die individuelle Maximalleistung des einzelnen Generators kann dabei jedoch nicht erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Steuerungsverfahren derart zu verbessern, daß die mögliche Generatormaximalleistung entsprechend der momentan zulässigen Betriebsbedingungen eines individuellen Generators auch höher als die Generatornennleistung sein !tann, um somit eine optimale Energieausbeute zu erzielen.

Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Wenn ein erhöhter Leistungsbedarf auftritt, wird es dadurch möglich, die Leistungsaufnahme des Rotors durch Verstellung der Rotorblätter im Rahmen der festgestellten Temperaturreserve des Generators so weit zu erhöhen, daß eine bestimmte, zum Beispiel durch Temperatursensoren überwachte Steigerung der Leistungsabgabe des Generators eintritt Andererseits ist es auch möglich, kurzzeitige Oberlastungen des Generators, beispielsweise durch Windböen, zuzulassen, solange die kritische Temperatur des Generators dabei nicht erreicht wird. Vorteilhaft ist es weiterhin, daß ein Betrieb des Generators unter seiner Nennleistung, beispielsweise beim Abflauen des Windes, berücksichtigt werden kann. Bei diesem Betrieb unter Nennleistung ίο tritt eine geringere Erwärmung bzw. Abkühlung des Generators ein, so daß in einer anschliessenden Betriebsphase der Generator oberhalb der Nennleistung betrieben werden kann, ohne daß die kritische Temperatur erreicht wird.

Insgesamt erhält man durch diese Steuerung die Möglichkeit, die Leistungsabgabe und damit die Energieausbeute bezogen auf 4ie Größe des Generators zu erhöhen.

Im Dauerbetrieb des Generators bei seiner Nennleistung wird die leistungsbegrenzende kritische Temperatur normalerweise und bei Windkraftanlagen im besonderen nicht erreicht

Die Windkraftanlage kann dann mit einer Leistungsabgabe oberhalb der Nennleistung betrieben werden, wobei Dauer und/oder die Höhe der Leistungsabgabe abhängig sind von den momentan vorhandenen Temperaturreserven des Generators. Diese Betriebsart ermöglicht es, kurzzeitige Leistungsaufnahmeerhöhungen zuzulassen, beispielsweise bei Windböen oder in Zeiten eines erhöhten Bedarfs beispielsweise im Inselbetrieb oder zum Leistungsschwankungsausgleich mehrerer zusammenarbeitender Windkraftanlagen bei hohem Leistungsniveau. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß man mehrere Windkraftanlagen gemeinsam so steuert, daß man zum Ausnützen lokaler Böen oder zur Abgabe von Spitzenleistungen nur die Leistung der Windkraftanlagen erhöht, deren Generatoren eine unter der kritischen Temperatur liegende Temperatur haben. In einem solchen Verbund kann eine Steuerung anhand der Temperatursignale der einzelnen Windkraftanlagen feststellen, welche Windkraftanlage zusätzlich belastet werden kann. Die Steuerung kann dann gezielt die Rotorblätter der noch zusätzlich belastbaren Windkraftanlagen so verstellen, daß diese Windkraftanlagen eine höhere Leistung aufnehmen. Dadurch kann die Gesamtleistungsabgabe des Windparks erhöht oder/und die windbedingte Leistungsabgabeschwankung vermindert werden.

so Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild einer Windkraftanlage mit einer von der Temperatur des Generators zusätzlich abhängigen Regelung.

Die eigentliche Windkraftanlage umfaßt einen drehbar gelagerten Rotor 1, der vom Wind in Drehbewegung versetzt wird. Diese Drehbewegung wird über ein Getriebe 2 auf einen elektrischen Generator 3 übertragen, der elektrische Leistung z. B. an ein öffentliches Netz 4 abgibt.

Der Rotor 1 ist mit einer Rotorblattverstellung 5 versehen, durch die das vom Wind auf das Rotorblatt übertragene Drehmoment und damit die Leistungsaufnahme des Rotors eingestellt werden können. Durch geeignete Sensoren werden die Drehzahl des Rotors 1, die vom Generator abgegebene elektrisch? Leistung und die Temperatur der Generatorwicklung an kritischen Stel-

3

len gemessen, entsprechende elektrische Signale gebil- lichkeit verbessert

det und einer Regelung 6 zugeführt. Dieser Regelung Ein einfach nur größerer Generator hätte nicht den

kann auch ein der Windgeschwindigkeit entsprechendes gleichen Effekt, da er größer, schwerer und damit teurer elektrisches Signal übermittelt werden. Aus diesen Si- wäre und da er außerdem dann viel häufiger nur im gnalen bildet die Regelung ein Steuersignal für die Ro- 5 Teillastbereich mit einem damit verbundenen schlechtetorblattverstellung. ren Wirkungsgrad arbeiten würde.

Bei einem erhöhten Leistungsbedarf oder/und einem Der Aufwand für die erfindungsgemäße temperatur-

über der Nennleistung liegenden Windenergieangebot abhängige Regelung ist außerordentlich gering, denn es kann diese Regelung die Leistungsaufnahme der Wind- genügt, die Temperatur an kritischen Generatorstellen kraftanlage erhöhen, wenn die Temperatur des Genera- io zu überwachen und ein entsprechendes Steuersignal an tors unterhaib der kritischen Temperatur liegt, die der die Regelung zu übermitteln, die bei konventionellen Generator nicht überschreiten darf. Diese Erhöhung der Windkraftanlagen ohnehin bereits vorhanden ist

Leistung kann kurzfristig erfolgen, so daß der Genera-

tor mit einer Leistung betrieben wird, die unter Umstän- Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

den erheblich über seiner Nennleistung liegt Dies ist für 15 "

den Generator dann absolut nicht schädlich, wenn die kritische Temperatur nicht überschritten wird.

Es ist auch möglich, den Generator über einen längeren Zeitraum mit einer erhöhten Leistung zu betreiben, wenn beispielsweise aufgrund der Außentemperaturen und aufgrund der Kühlung des Generators durch den Wind die kritische Temperatur des Generators erst bei einer Leistungsabgabe erreicht wird, die über seiner Nennleistung liegt

In jedem Fall ist es durch diese zusätzliche temperaturabhängige Regelung möglich, bei einem Generator bestimmter Baugröße eine erhöhte Leistungsabgabe zu erreichen, verglichen mit einem Generator, bei dem der jeweilige Temperaturzustand des Generators die Regelung nicht beeinflußt Im letzteren Fall muß nämlich aus Sicherheitsgründen ohne Rücksicht auf die vorherige Betriebsart des Generators immer eine maximale Leistung eingehalten werden, die so gewählt sein muß, daß beim Dauerbetrieb sicher keine überhöhte Temperatur im Generator auftritt Diese Maximalleistung entspricht normalerweise der Generatornennleistung.

Besonders vorteilhaft ist der Betrieb einer in dieser Weise zusätzlich temperaturabhängig geregelten Windkraftanlage dann, wenn mehrere solcher Windkraftanlagen zu einem gemeinsamen System zusammengeschaltet sind. Dann können der Regelung jeder Windkraftanlage auch Signale zugeführt werden, die der Windgeschwindigkeit, der Leistungsabgabe und der Generatortemperatur bei anderen Windkraftanlagen entsprechen; dies ist in der Zeichnung durch den Kasten 7 angedeutet Aus den Daten anderer im Verbund betriebener Windkraftanlagen kann die Regelung dann feststellen, welcher Generator stärker belastet werden kann, beispielsweise wenn ein Spitzenbedarf entsteht. Andererseits können lokale Böen auf diese Weise wesentlich besser so g ausgenutzt werden, da die Rotorblätter der Windkraftl! anlagen im Böengebiet durch die Regelung gezielt so eingestellt werden können, daß die kritischen Temperap türen der betroffenen Generatoren gerade nicht überschritten werden. Wesentlich ist dabei, daß einzelne Generatoren unter Umständen noch erhebliche Leistungs- |i reserven aufweisen, die bei Böen ausgenützt werden können. Bei Anlagen, bei denen die Temperatur nicht gemäß der Erfindung überwacht wird, wären jedoch gezielte Überschreitungen der Nennleistung der Gene- |! ratoren nicht möglich, so daß die Windböen nicht ausge-Ig nützt werden und nicht zur Leistungsabgabeerhöhung oder Leistungsschwankungsverminderung herangezogen werden könnten. Die kontrollierte Ausnutzung vorhandener Temperaturreserven im Generator bewirkt gegenüber herkömmlich ausgelegten Anlagen, daß hiermit eine größere Energiemenge durch die Windkraftanlage umgewandelt werden kann, was deren Wirtschaft-

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer Windkraftanlage mit einem windkraftgetriebenen Rotor zum Antrieb eines elektrische Energie erzeugenden Generators, bei welchem man durch eine Rotorblattverstellung die Leistungsaufnahme des Rotors der Windkraftanlage temperaturabhängig steuert, dadurch gekennzeichnet, daß man die Leistungsaufnahme des Rotors in Abhängigkeit von der Generatorwicklungstemperatur so steuert, daß eine kritische Generatortemperatur nicht überschritten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man mehrere Windkraftanlagen gemeinsam so steuert, daß man zum Ausnützen lokaler Böen oder zur Abgabe von Spitzenleistungen nur die Leistung der Windkraftanlagen erhöht, deren Generatoren eine unter der kritischen Temperatur liegende Temperatur haben.