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WO2005078278A1 - Verfahren zum betreiben einer windkraftanlage, und dementsprechend ausgestaltete windkraftanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer windkraftanlage, und dementsprechend ausgestaltete windkraftanlage Download PDF

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WO2005078278A1
WO2005078278A1 PCT/DE2004/000552 DE2004000552W WO2005078278A1 WO 2005078278 A1 WO2005078278 A1 WO 2005078278A1 DE 2004000552 W DE2004000552 W DE 2004000552W WO 2005078278 A1 WO2005078278 A1 WO 2005078278A1
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generator
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converter
energy
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Andreas Gevers
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HELGERS FINANZBERATUNG GmbH
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HELGERS FINANZBERATUNG GmbH
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    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a wind power plant according to the preamble of claim 8
  • the gear unit may wear prematurely, with mechanical influences being primarily responsible for this premature wear, for example sudden gusts of wind, which an adjustment of the angle of attack of the rotors cannot correspond to quickly enough.
  • the invention is based on the object of improving a generic method and of specifying a corresponding wind power plant such that the longest possible service life of the wind power plant can be achieved with the least possible effort.
  • the invention proposes to switch off the generator in a controlled manner in certain operating states, such as the aforementioned power failure.
  • the invention is based on the surprising consideration that damage to the gearbox is not caused solely by the mechanical action of the rotor exposed to the wind, but also by the other side of the gear
  • Wind turbine can occur, namely from the electrical side:
  • the rotor shaft of the generator is short-circuited to protect the converter.
  • the generator has a considerably increased rotational resistance in the shortest possible time, so that mechanical impacts are accordingly introduced into the transmission.
  • the self-protection mechanism provided to protect the converter therefore effectively protects the converter, but ultimately endangers the gearbox of the wind turbine.
  • the present proposal can be compared, for example, with the use of an uninterruptible power supply in wind turbines to protect the transmission, generator, converter and / or other components from mechanical or electrical overload.
  • the Generate generated electrical energy that cannot be dissipated into the power grid in a controlled manner in any other way, instead of short-circuiting the generator rotor shaft.
  • Such consumption can take place, for example, by means of heating resistors, for example so-called “dump loads” known to the person skilled in the art.
  • These can be designed as heating elements which are arranged, for example, in the ground to protect against overheating and for reasons of heat dissipation.
  • This controlled derivation of the energy generated in the generator by the continuing rotary movement of the rotor prevents the self-protection mechanism of the converter from responding, so that inverters without such a self-protection mechanism can be used cost-effectively if the proposed safety module is used.
  • the safety module leads to the dissipation of the electrical energy still generated after a power failure, so that power failures with a duration in the range of fractions of a second can be bridged without risk.
  • the safety module similar to the aforementioned uninterruptible power supply, enables the generator to be "shut down" from its operating state that generates electrical energy to an idle state last for a long time, for example in regions with a particularly unstable power supply, and in which cases the introduction of electrical energy generated by the generator into the intended consumers could lead to the destruction of the consumers, for example to heating of the heating elements, or in which cases sufficiently large energy stores would be uneconomical to absorb the corresponding amounts of energy.
  • shutdown of the generator into an idle state can take place until the rotor of the wind power plant comes to a standstill so that the generator no longer generates electricity.
  • minimal operation of the generator can also be provided as an idle state Amount of energy is generated, which can be easily dissipated firstly and secondly allows electrical monitoring or control circuits to be maintained.
  • the rotor is rotated at a "minimal speed", so that the rotor then starts up and is started up again the wind turbine is facilitated since the rotor does not have to be rotated from a standstill while overcoming corresponding breakaway torques.
  • the proposed safety module can therefore have a circuit that not only triggers the dissipation of the energy that is not to be dissipated into the power grid, but also triggers this rotor blade adjustment and, if necessary, initiates further measures to protect the converter and the transmission in particular.
  • a wind turbine designates a whole, which has a rotor 2, with a hub 3 and rotor blades 4.
  • the rotor blades 4 have servomotors with which the
  • these servomotors are supplied with electrical energy in a manner known per se by an energy store, such as by an accumulator.
  • a gear 6 is arranged as well as a generator 7 which, in a manner known per se, is driven indirectly by the rotor 2 and, at a speed which is different from the rotor speed, directly by the gear 6 and generates electrical current.
  • the wind turbine 1 has a converter 8.
  • This converter 8 can be designed without a self-protection mechanism known per se, or there can be such a self-protection mechanism which is, however, switched off.
  • the wind turbine 1 is connected to a power network by a connection 9, such as a public one
  • a safety module 10 which is arranged between the converter 8 and the connection 9 in terms of circuitry in that the safety module 10 protects both the converter 8 and components of the wind power plant 1 upstream in the converter 8 , including the generator 7 and the transmission 6.
  • the safety module 10 firstly ensures that the electrical energy still generated after the failure of the network by the generator 7 is discharged in a controlled manner without, for example, the generator 7 having to be short-circuited, and furthermore the security module 10 ensures that the power supply continues for a prolonged period Generator 7 is shut down in a controlled state, ie in its Power is throttled or reduced to zero, for example by appropriate adjustment of the rotor blades 4.
  • a sufficient amount of energy is made available by the security module 10 in the power network, even in the millisecond range, or is used by the security module, which amount of energy enables the wind turbine 1 to be shut down and shut down in a coordinated manner.

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Abstract

Die Erfindung schlägt bei einem Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage, wobei über ein Getriebe ein Generator angetrieben wird, und wobei die vom Generator erzeugte elektrische Energie über einen Umrichter in ein Stromnetz eingespeist wird, vor, daß bei vorbestimmten Betriebszuständen - wie bei Ausfall des Stromnetzes - die vom Generator erzeugte Energie kontrolliert abgeführt wird. Sie schlägt weiterhin bei einer Windkraftanlage, mit einem Getriebe, einem Generator, und einem Umrichter, sowie mit einem Anschluß zur Verbindung der Windkraftanlage mit einem Stromnetz, ein Sicherheitsmodul vor, welches einen Energiespeicher oder elektrischen Verbraucher aufweist sowie eine elektronische Schaltung, wobei die elektronische Schaltung bei Ausfall des Stromnetzes die Energieableitung von durch den Generator erzeugter Energie in den Energiespeicher oder zu dem elektrischen Verbraucher regelt.

Description

"Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage, und dement- sprechend ausgestaltete Windkraftanla e"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Windkraftanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8
Aus der Praxis ist es bekannt, bei jüngeren Windkraftanlagen zur Erzeugung der elektrischen Energie einen doppelt eingespeisten Asynchrongenerator zu verwenden, der mit einem hierfür speziell entwickelten Umrichter betrieben wird. Ein derartiger Umrichter weist einen Eigenschutzmechanismus auf, welcher bei bestimmten Betriebszuständen, insbesondere bei Ausfall des Stromnetzes, Schäden am Umrichter vermeiden soll. Als Eigen- schutz-„Mechanismus" in diesem Zusammenhang ist auch eine elektronische Schaltung zu verstehen, welche den gewünschten Schutz gegen elektrische und / oder mechanische Überlastung des Umrichters bewirkt.
Bei den Windkraftanlagen kann ein vorzeitiger Verschleiß des Getriebes auftreten, wobei bislang in erster Linie mechanische Einflüsse für diesen vorschnellen Verschleiß verantwortlich gemacht werden, beispielsweise plötzlich auftretende Windböen, denen eine Verstellung des Anstellwinkels der Rotoren nicht schnell genug entsprechen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend zu verbessern und eine dementspre- chende Windkraftanlage anzugeben, dass eine möglichst lange Lebensdauer der Windkraftanlage mit möglichst geringem Aufwand erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 und durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, bei bestimmten Betriebszuständen, wie dem erwähnten Netzausfall, den Generator kontrolliert abzuschalten. Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Überlegung aus, dass Schäden am Getriebe nicht allein aufgrund der mechanischen Einwirkung über den die Rotorblätter aufweisenden, dem Wind ausgesetzten Rotor er- folgt, sondern dass Schäden auch von der anderen Seite der
Windkraftanlage her auftreten können, nämlich von der elektrischen Seite: Beim Netzausfall wird zum Schutz des Umrichters die Läuferwelle des Generators kurzgeschlossen. Durch diesen Kurzschluß weist der Generator in kürzester Zeit einen erheblich gestiegenen Drehwiderstand auf, so dass dementsprechend mechanische Schläge in das Getriebe eingeleitet werden. Der zum Schutz des Umrichters vorgesehene Eigenschutzmechanismus schützt demzufolge zwar wirksam den Umsetzer, gefährdet aber in letzter Konsequenz das Getriebe der Windkraft- anläge.
Der vorliegende Vorschlag kann etwa mit der Verwendung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung in Windkraftanlagen zum Schutz von Getriebe, Generator, Umrichter und / oder anderen Bauteilen von mechanischer oder elektrischer Überlastung verglichen werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, die im Generator erzeugte und bei Netzausfall nicht in das Stromnetz abführbare elektrische Energie auf eine beliebige andere Weise kontrolliert zu verbrauchen, statt die Läuferwelle des Generators kurzzuschließen. Ein derartiger Verbrauch kann beispielsweise durch Heizwiderstände erfolgen, beispielsweise dem Fachmann bekannte sogenannte „dump loads". Diese können als Heizelemente ausgestaltet werden, die zum Schutz vor Überhitzung und aus Gründen der Wärmeabfuhr beispielsweise im Erdreich angeordnet werden. Alternativ ist denkbar, die im Generator er- zeugte und bei Netzausfall nicht in das Stromnetz abführbare e- lektrische Energie in einen Energiespeicher einzuspeisen, aus dem sie später verbraucht werden kann.
Diese kontrollierte Ableitung der im Generator durch die weiter- gehende Drehbewegung des Rotors erzeugte Energie verhindert, dass der Eigenschutzmechanismus des Umrichters anspricht, so dass auf kostengünstige Weise Umrichter ohne einen derartigen Eigenschutzmechanismus verwendet werden können, wenn das vorschlagsgemäße Sicherheitsmodul verwendet wird.
Das Sicherheitsmodul bewirkt einerseits die Ableitung der nach Netzausfall noch erzeugten elektrischen Energie, so dass beispielsweise Netzausfälle mit einer Dauer im Bereich von Sekundenbruchteilen gefahrlos überbrückt werden.
Das Sicherheitsmodul kann andererseits, ähnlich wie die vorerwähnte unterbrechungsfreie Stromversorgung, ermöglicht, den Generator von seinem elektrische Energie erzeugenden Betriebszustand in einen Ruhezustand „herunterzufahren". Diese zusätzliche Schutzmaßnahme ist beispielsweise bei Netzausfällen vorteilhaft, die nicht im Bereich von Sekundenbruchteilen liegen, sondern die über eine längere Zeit andauern, beispielsweise in Regionen mit besonders instabiler Stromversorgung, und in welchen Fällen die Einleitung elektrischer, vom Generator er- zeugter Energie in die dafür vorgesehenen Verbraucher zur Zerstörung der Verbaucher führen könnte, beispielsweise zur Über- hitzung der Heizelemente, oder in welchen Fällen zur Aufnahme der entsprechenden Energiemengen ausreichend dimensionierte Energiespeicher unwirtschaftlich wären.
Das erwähnte „Herunterfahren" des Generators in einen Ruhezustand kann bis zum Stillstand des Rotors .der Windkraftanlage erfolgen, so daß der Generator keinen Strom mehr erzeugt. Es kann jedoch auch ein Minimalbetrieb des Generators als Ruhezustand vorgesehen sein. In einem derartigen Minimalbetrieb kann eine minimale Energiemenge erzeugt werden, die erstens problemlos abgeleitet werden kann und zweitens die Aufrechterhaltung elektrischer Überwachungs- oder Regelungsschaltungen ermöglicht. Zudem erfolgt in einem derartigen „Minimalbetrieb" eine Drehung des Rotors mit einer „Minimaldrehzahl", so dass anschließend das Anlaufen des Rotors und die erneute Inbetriebnahme der Windkraftanlage erleichtert wird, da der Rotor nicht aus dem Stillstand unter Überwindung entsprechender Losbrechmomente in Drehung versetzt werden muss.
In an sich bekannter Weise können die Anstellwinkel der Rotorblätter verändert werden, um die Energieerzeugung durch den Generator zu drosseln oder auf Null herunterzufahren. Das vorschlagsgemäße Sicherheitsmodul kann daher eine Schaltung aufweisen, die nicht nur die Ableitung der in das Stromnetz nicht abzuführenden Energie auslöst, sondern die auch diese Rotorblattverstellung auslöst und ggf. weitere Maßnahmen einleitet, um insbesondere den Umrichter und das Getriebe zu schützen.
Anhand der rein schematischen Darstellung einer Windkraftan- läge wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Dabei ist mit 1 insgesamt eine Windkraftanlage bezeichnet, die einen Rotor 2 aufweist, mit einer Nabe 3 und Rotorblättern 4. Die Rotorblätter 4 weisen Stellmotoren auf, mit denen sich der
Anstellwinkel des jeweiligen Rotorblattes beeinflussen lässt. Um bei unzulässigen Windgeschwindigkeiten oder beim Netzausfall ein Abschalten der Windkraftanlage 1 zu ermöglichen, sind diese Stellmotoren in an sich bekannter Weise durch einen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt, wie durch einen Akkumulator.
In einer mit 5 angedeuteten Gondel ist ein Getriebe 6 angeordnet sowie ein Generator 7, der in an sich bekannter Weise mittelbar durch den Rotor 2 und mit gegenüber der Rotordrehzahl geänderter Drehzahl unmittelbar durch das Getriebe 6 angetrieben wird und elektrischen Strom erzeugt.
Weiterhin weist die Windkraftanlage 1 einen Umrichter 8 auf. Dieser Umrichter 8 kann ohne einen an sich bekannten Eigen- Schutzmechanismus ausgestaltet sein, oder es kann ein derartiger Eigenschutzmechanismus vorhanden sein, der jedoch abgeschaltet ist.
Die Windkraftanlage 1 ist durch einen mit 9 angedeuteten Anschluß an ein Stromnetz - wie beispielsweise ein öffentliches
Stromnetz - angeschlossen. Bei Netzausfall werden Schäden an der Windkraftanlage 1 durch ein Sicherheitsmodul 10 verhindert, welches schaltungstechnisch insofern zwischen dem Umrichter 8 und dem Anschluß 9 angeordnet ist, als das Sicher- heitsmodul 10 sowohl den Umrichter 8 als auch in dem Umrichter 8 vorgelagerten Komponenten der Windkraftanlage 1 schützt, also auch den Generator 7 und das Getriebe 6.
Das Sicherheitsmodul 10 stellt erstens sicher, dass die nach dem Ausfall des Netzes durch den Generator 7 weiterhin erzeugte elektrische Energie kontrolliert abgeführt wird, ohne dass beispielsweise der Generator 7 kurzgeschlossen werden muß, und weiterhin stellt das Sicherheitsmodul 10 bei länger andauerndem Netzausfall sicher, dass der Generator 7 kontrolliert in eine Ruhezustand heruntergefahren wird, also in seiner Leistung gedrosselt oder bis auf Null reduziert wird, beispielsweise durch entsprechende Verstellung der Rotorblätter 4.
Vorschlagsgemäß, und nicht nur auf das dargestellte Ausfüh- rungsbeispiel beschränkt, ist vorgesehen, dass bei Ausfall des
Stromnetzes auch im Milisekundenbereich eine ausreichende Menge an Energie durch das Sicherheitsmodul 10 zur Verfügung gestellt wird, oder vom Sicherheitsmodul genutzt wird, welche Menge an Energie ein sicheres Abschalten und koordinier- tes Herunterfahren der Windkraftanlage 1 ermöglicht.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage, wobei über ein Getriebe ein Generator angetrieben wird, und wobei die vom Generator erzeugte elektrische Energie über einen Umrichter in ein Stromnetz eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet. daß bei vorbestimmten Betriebszuständen - wie bei Ausfall des Stromnetzes - die vom Generator (7) erzeugte Energie kontrolliert abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten des vorbestimmten Betriebszustandes der Generator (7) in einen Ruhezustand gebracht wird, in welchem er minimale oder keine elektrische Energie erzeugt- wie durch die Verstellung des Anstellwinkels von Rotorblättern (4).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die für die vorbestimmten Betriebszustände vorgesehenen Maßnahmen mittels einer elektronischen Schaltung innerhalb von Sekundenbruchteilen eingeleitet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Generator (7) erzeugte Energie in einen Energiespeicher eingespeist wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher vor dem Auftreten des vorbestimmten Betriebszustandes lediglich zu einem Teil seiner Kapazität aufgefüllt wird, wobei diese Teikapazität derart bemessen ist, dass die im Energiespeicher gespeicherte Energie zum Herunterfahren der Windkraftanlage (1) ausreichend ist -wie zum Ab- schalten des Generators (7).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Generator (7) erzeugte Ener- gie einem Verbraucher zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie in Wärme umgewandelt wird.
8. Windkraftanlage, mit einem Getriebe, einem Generator, und einem Umrichter, sowie mit einem Anschluß zur Verbindung der Windkraftanlage mit einem Stromnetz, gekennzeichnet durch ein Sicherheitsmodul (10), welches einen Energiespeicher oder elektrischen Verbraucher aufweist sowie eine elektronische Schaltung, wobei die elektronische Schaltung bei Ausfall des Stromnetzes die Energieableitung von durch den Generator (7) erzeugter Energie in den Energiespeicher oder zu dem elektrischen Verbraucher regelt.
9. Windkraftanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsmodul (10) den koordinierten Übergang der Windkraftanlage (1) in einen Ruhezustand regelt, derart, dass der Generator (7) in dem Ruhezustand minimale oder keine elektrische Energie erzeugt.
10. Windkraftanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsmodul (10) schaltungs- technisch zwischen dem Umrichter (8) und dem Anschluss (9) an das Stromnetz angeordnet ist, derart, dass das Sicherheitsmodul (10) sowohl den Umrichter (8) als auch das Getriebe (6) schützt.
11. Windkraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (8) unter Verzicht auf einen aus- schließlich den Umsetzer (8) schützenden Eigenschutzmechanismus - wie einen sogenannten Scraw Bar - ausgestaltet ist.
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