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WO2011104285A1 - Verfahren zum ausgleichen von schwankungen der wirkleistungsabgabe sowie entsprechendes umrichtersystem und windenergieanlage - Google Patents

Verfahren zum ausgleichen von schwankungen der wirkleistungsabgabe sowie entsprechendes umrichtersystem und windenergieanlage Download PDF

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Publication number
WO2011104285A1
WO2011104285A1 PCT/EP2011/052700 EP2011052700W WO2011104285A1 WO 2011104285 A1 WO2011104285 A1 WO 2011104285A1 EP 2011052700 W EP2011052700 W EP 2011052700W WO 2011104285 A1 WO2011104285 A1 WO 2011104285A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
intermediate circuit
energy storage
converter
network
circuit voltage
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/052700
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Buecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kenersys GmbH
Original Assignee
Kenersys 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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kenersys GmbH filed Critical Kenersys GmbH
Publication of WO2011104285A1 publication Critical patent/WO2011104285A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC
    • H02M5/42—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters
    • H02M5/44—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC
    • H02M5/453—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of AC power input into AC power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into DC by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate DC into AC using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements

Definitions

  • the invention relates to a method for compensating for fluctuations in the active power output of a working as a generator electric machine to a power supply network by means of an electrical energy storage system with rechargeable energy storage, wherein an inverter system is electrically interposed between the electrical machine and the network, the network side inverter and a DC intermediate circuit having at least one device for influencing the intermediate circuit voltage.
  • the invention further relates to an inverter system for electrically coupling an electric machine which can be operated as a generator to a power supply network, wherein the converter system has a network-side converter and a DC intermediate circuit with at least one device for influencing the intermediate circuit voltage, and finally a wind energy system with an inverter system and a generator electric machine.
  • Wind turbines generally have electrical machines designed as synchronous or asynchronous machines, the power of which is fed in at variable speeds.
  • a long-used type of wind turbine is a type of wind turbine with a separately excited synchronous machine and a a 1 s "full converter” trained Converter system.
  • For the electric machine out is - instead of a self-commutated frequency converter, as usual in double-fed asynchronous machines - alternatively a diode rectifier with boost converter used.
  • wind turbines with permanent-magnet synchronous machine and full converter are also in use.
  • the high efficiency of the synchronous machine due to its windingless rotor is the distinguishing feature.
  • the wind energy plant generates its energy as a function of the wind speed by means of the electric machine.
  • the active power fed by the wind energy plant into an energy network of the energy supply network is subject to the fluctuations of the wind speed and can only be predicted and guaranteed to a limited extent. Therefore, power plants must be integrated into the network, which run in stand-by mode in order to be able to ensure an always demand-oriented energy supply in the short term.
  • the object of the invention is to provide a method, an inverter system and a wind turbine for compensating for variations in the active power output of an electrical machine to a power supply network by means of an electrical energy storage system, which are simple and inexpensive to implement.
  • the energy storage system is coupled to the intermediate circuit voltage potentials of the DC intermediate circuit and that charging and discharging of the energy storage by controlling and / or regulating the DC link voltage by means of the network-side converter (mains side converter) and the Device for influencing the DC link voltage takes place.
  • the network-side converter mains side converter
  • the Device for influencing the DC link voltage takes place.
  • a corresponding control / regulating device is preferably provided for controlling and / or regulating the intermediate circuit voltage by means of the device for influencing the intermediate circuit voltage.
  • the device for influencing the DC link voltage on a brake chopper and / or a step-up converter.
  • control and / or regulation takes place as a function of a dependent of the rotational speed and / or the torque and / or the power output of the electrical machine size. These quantities describe the actual state of the electrical machine.
  • control and / or regulation takes place as a function of a variable which depends on the frequency and / or on the voltage of the network. These quantities describe the actual state of the network.
  • control and / or regulation takes place as a function of a difference between the frequency and a nominal frequency and / or as a function of a difference between the voltage and the nominal voltage of the energy supplier.
  • the energy stores are discharged at a value of the intermediate circuit voltage below a voltage threshold and are charged at a value of the intermediate circuit voltage above this voltage threshold.
  • the converter system according to the invention has an energy storage system with rechargeable energy stores, wherein the energy storage system is electrically coupled to the intermediate circuit voltage potentials of the DC intermediate circuit.
  • the inverter system is an inverter system suitable for a wind turbine.
  • the components of the device for influencing the intermediate circuit voltage are those components which are also used in known wind power plants, in particular power electronics components.
  • the charging and discharging of the energy storage takes place via a control and / or regulation of the level of the intermediate circuit voltage by means of the network-side converter (in short: network-side converter) and the device for influencing the intermediate circuit voltage. If the intermediate circuit voltage is greater than the voltage of the electrical energy storage system, the energy storage devices are charged, if the voltage is lower than the voltage of the electrical energy storage system, the energy storage devices are discharged.
  • the network-side converter in short: network-side converter
  • the energy storage system is electrically coupled to the intermediate circuit voltage potentials via diodes (coupling diodes).
  • the diodes form a reverse polarity protection.
  • the device for influencing the intermediate circuit voltage has a brake chopper and / or a step-up converter.
  • the energy storage system is a battery system with rechargeable batteries (rechargeable batteries).
  • the converter system - viewed from the intermediate circuit in addition to the network-side converter also has a machine-side inverter.
  • the machine-side converter is a rectifier
  • the network-side converter is an inverter.
  • Each of the converters can be configured as a passive or active converter.
  • a designed as a passive inverter inverter is in particular realized with diodes
  • an inverter designed as an active converter is in particular realized with bipolar transistors with insulated gate electrode (English: insulated gate bipolar transistors IGBTs).
  • the converter system has at least one line filter.
  • the line filter is preferably electrically connected to the network-side converter.
  • in the network direction to the network-side converter connects to a (three-phase) transformer, which is electrically interposed between the network-side inverter and the network.
  • the wind turbine according to the invention has the aforementioned converter system and an electric machine which can be operated as a generator.
  • the electric machine is designed as a synchronous machine (synchronous generator) or as an asynchronous machine (asynchronous generator).
  • the energy storage system is in particular a battery system with parallel and / or series-connected rechargeable batteries. Appropriately, that will Energy storage system installed in the vicinity of the wind turbine, in particular in a maximum of the magnitude of the extent of the wind turbine area of the wind turbine.
  • the wind turbine has a tower, in and / or at the base of the tower, the energy storage system is arranged. Due to the high weight of the energy storage system results in a low center of gravity.
  • Fig. 1 shows an arrangement of a generator and an inverter system of a wind turbine
  • FIG. 2 shows a diagram in which the intermediate circuit voltage is plotted against the charging or discharging current.
  • the multi-phase electric machine 10 is designed, for example, as a synchronous generator, but could also be designed as an asynchronous generator.
  • the number of phases can be three or six, for example.
  • the electrical machine 10 is electrically connected via three lines 14, 16, 18 to a machine-side converter 20 of the converter system 12.
  • the lines 14, 16, 18 via transistors 22 in particular bipolar transistors with insulated gate - Engl: insulated-gate bipolar transistors IGBTs
  • the machine-side converter 20 is designed as an active rectifier 30.
  • the intermediate circuit 24 also has two devices for influencing the intermediate circuit voltage 36, 38 in a current path 34 connecting the two potential carriers 26, 28.
  • the one of the devices 36 comprises a brake chopper 40, which in a potential carrier 26, 28 also electrically connecting further current path 42 has a resistor (braking resistor) 44 and a switching transistor 46 which are arranged in series.
  • the other of the devices 38 has a step-up converter 48, which has an inductive element 50 in the potential carrier 26 with the higher potential and a further switching transistor 52 in a the two potential carriers 26, 28 also connecting other current path 54.
  • the converter system 12 has a network-side converter 64 designed as an inverter 62.
  • the potential carriers 26, 28 are connected to the three lines 56, 58, 60 via transistors 66 (in particular IGBTs).
  • the network-side converter 64 is thus designed as an active inverter 62.
  • the converter system 12 furthermore has an energy storage system 68 configured as a battery system, whose poles 70, 72 are electrically coupled via respective diodes 74, 76 to the potential carriers 26, 28 with the intermediate circuit voltage potentials U +, U-.
  • the energy storage system 68 has in particular a plurality of energy stores 78, 80, which are connected in series and / or in parallel.
  • the energy storage 78, 80 are in a designed as a battery system electrical energy storage system 68 rechargeable batteries (or accumulators) or battery cells.
  • the charging and discharging of the rechargeable energy stores 78, 80 takes place via a control and / or regulation of the level of the intermediate circuit voltage by means of the at least one device for influencing the intermediate circuit voltage 36, 38 and a control / regulating device (not shown) for control and / or regulation the intermediate circuit voltage by means of the device for influencing the intermediate circuit voltage 36, 38 and the network-side inverter 64th
  • the energy stores 78, 80 are charged, if the voltage is lower than the voltage of the electrical energy storage system 68, the energy stores 78, 80 are discharged , Via the network-side inverter 64, the energy is released into the network.
  • the voltage must not be too large, so as not to destroy the barrier layer formed as IGBT's transistors 22, 66 and the other components used 44, 46, 50, 52.
  • FIG. 2 shows a corresponding graph in which the intermediate circuit voltage is plotted against the charging or discharging current.
  • a voltage threshold Vs which separates the charging area from the discharge area is, for example, 1000 V.
  • the energy stores 78, 80 are thus discharged at a value of the intermediate circuit voltage below this voltage threshold Vs (area I) and at a value of the intermediate circuit voltage above the first voltage threshold Vsl loaded (area II).
  • Typical values of the intermediate circuit voltage are 950 V DC for discharging and 1050 V DC for charging.
  • the DC link voltage is - raised by the boost converter 48
  • control and / or regulation takes place as a function of a variable which depends on the rotational speed and / or the torque and / or the power output of the electric machine 10 and / or in dependence on a variable which depends on the frequency and / or voltage of the network.
  • the battery system is expediently installed near the wind turbine, for example in the tower base of the turbine.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine (10) an ein Energieversorgungsnetzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems (68) mit wiederaufladbaren Energiespeichern (78, 80), wobei ein Umrichtersystem (12) elektrisch zwischen die elektrische Maschine (10) und das Netzwerk zwischengeschaltet ist und das Umrichtersystem (12) einen netzwerkseitigen Umrichter (64) und einen Gleichspannungszwischenkreis (24) mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) aufweist. Es ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem (68) an die Zwischenkreisspannungspotentiale (U+, U-) des Gleichspannungszwischenkreises (24) gekoppelt ist und dass ein Laden und Entladen der Energiespeicher (78, 80) durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (64) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Umrichtersystem (12) und eine Windenergieanlage mit Umrichtersystem.

Description

Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe sowie entsprech« des Umrichtersystem und Windenergieanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine an ein Energieversorgungs- netzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems mit wiederaufladbaren Energiespeichern, wobei ein Umrichtersystem elektrisch zwischen die elektrische Maschine und das Netzwerk zwischengeschaltet ist, das einen netzwerkseitigen Umrichter und einen Gleichspannungszwischenkreis mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischen- kreisspannung aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Umrichtersystem zur elektrischen Kopplung einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine an ein Energieversorgungsnetzwerk, wobei das Umrichtersystem einen netwerkseitigen Umrichter und einen Gleichspannungszwischenkreis mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung aufweist, und schließlich eine Windenergieanlage mit einem Umrichtersystem und einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine.
Windenergieanlagen (WEA) weisen in der Regel als Synchron- oder Asynchronmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen auf, deren Leistung drehzahlvariant eingespeist wird. Ein seit langem verwendeter Typ von Windenergieanlagen ist ein Wmdenergieanlagentyp mit fremderregter Synchronmaschine und einem a 1 s „Vollumrichter" ausgebildeten Umrichtersystem. Zur elektrischen Maschine hin wird - statt eines selbstgeführten Frequenzumrichters, wie bei doppeltgespeisten Asynchronmaschinen üblich - alternativ auch ein Diodengleichrichter mit Hochsetzsteller verwendet. Weiterhin sind auch Windenergieanlagen mit permanenterregter Synchronmaschine und Vollumrichter im Einsatz. Hier ist der hohe Wirkungsgrad der Synchronmaschine aufgrund ihres wicklungslosen Läufers das heraushebende Merkmal. Allerdings sind die höheren Herstellkosten der Maschine zu berücksichtigen und es fallen im Vollumrichter wiederum höhere Verluste an als bei der doppeltgespeisten Asynchronmaschine . Die Windenergieanlage erzeugt ihre Energie in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit mittels der elektrischen Maschine. Die von der Windenergieanlage in ein Energieverbundnetz des Energieversorgungsnetzwerkes eingespeiste Wirkleistung ist den Schwankungen der Windgeschwindigkeit unterworfen und kann nur bedingt vorhergesagt und garantiert werden. Daher müssen in dem Netzwerk Kraftwerke eingebunden sein, die im Stand-by-Betrieb laufen um auch kurzfristig eine stets bedarfsgerechte Energieversorgung gewährleisten zu können.
Mit großen Batteriesystemen oder anderen elektrischen Energiespeichersystemen im Energieverbundnetz kann man Leistung Zwischenspeichern und zu Spitzenlastzeiten ins Netz einspeisen und zu Schwachlastzeiten die Batterien aufladen. Die Batteriesysteme werden in großen Einheiten mit eigenen Lade- und Endladeschaltungen betrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Umrichtersystem und eine Windenergieanlage zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer elektrischen Maschine an ein Energieversorgungsnetzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems an- zugeben, die einfach und kostengünstig umsetzbar sind.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 , 4 und 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem an die Zwischenkreisspannungspoten- tiale des Gleichspannungszwischenkreises gekoppelt ist und dass ein Laden und Entladen der Energiespeicher durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (netzseitigen Umrichters) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass vorhandene Komponenten und/oder Anordnungen des Umrichtersystems mitgenutzt werden können. Weiterhin erfolgt die Einspeisung„überschüssiger" Leistung in unmittelbarer Nähe zur elektrischen Maschine, die die Leistung erbringt. Unter der Zwischenkreisspannung ist die Differenz der (beiden) Zuwischenkreispotentiale U+, U- zu verstehen.
Bevorzugt ist weiterhin eine entsprechende Steuer-/Regelvorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwi- schenkreisspannung vorgesehen. Mit Vorteil weist die Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung einen Brems-Chopper und/oder einen Hochsetzsteller auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment und/oder der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine abhängigen Größe erfolgt. Diese Größen beschreiben den Ist-Zustand der elektrischen Maschine.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Frequenz und/oder von der Spannung des Netzwerks abhängigen Größe erfolgt. Diese Größen beschreiben den Ist- Zustand des Netzwerkes. Insbesondere erfolgt die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Frequenz und einer Soll-Frequenz und/oder in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Spannung und der Soll-Spannung des Energieversor- gungsnetzwerks oder zumindest des Teilbereichs des Energieversorgungsnetzwerks, in das die elektrische Maschine über das Umrichtersystem eingebunden ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiespeicher bei einem Wert der Zwischenkreisspannung unterhalb einer Spannungsschwelle entladen werden und bei einem Wert der Zwischenkreisspannung oberhalb dieser Spannungsschwelle geladen werden.
Das erfindungsgemäße Umrichtersystem weist ein Energiespeichersystem mit wiederaufiad- baren Energiespeichern auf, wobei das Energiespeichersystem elektrisch an die Zwischen- kreisspannungspotentiale des Gleichspannungszwischenkreises gekoppelt ist. Zum Ausgleich von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe der elektrischen Maschine an das Netzwerk kann dabei das Laden und Entladen der Energiespeicher durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung gesteuert/geregelt werden. Das Umrichtersystem ist ein Umrichtersystem, das geeignet für eine Windenergieanlage ist. Insbesondere sind die Komponenten der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung solche Komponenten, die auch bei bekannten Windenergieanlagen genutzt werden, insbesondere Leistungselektronik-Komponenten. Das Laden und Entladen der Energiespeicher erfolgt über eine Steuerung und/oder Regelung der Höhe der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerksei- tigen Umrichters (kurz: netzseitiger Umrichter) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung. Ist die Zwischenkreisspannung größer als die Spannung des elektrischen Energiespeichersystems, so werden die Energiespeicher geladen, ist die Spannung kleiner als die Spannung des elektrischen Energiespeichersystems, so werden die Energiespeicher entladen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Energiespeichersystem über Dioden (Koppeldioden) elektrisch an die Zwischenkreisspannungspotentiale gekoppelt. Die Dioden bilden dabei einen Verpolungsschutz. Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung einen Brems-Chopper und/oder einen Hochsetzsteller aufweist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem ein Batteriesystem mit wiede- raufladbaren Batterien (Akkumulatoren) ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Umrichtersystem - vom Zwischenkreis aus betrachtet neben dem netzwerkseitigen Umrichter auch einen maschinenseitigen Umrichter aufweist. Der maschinenseitige Umrichter ist ein Gleichrichter, der netzwerkseitige Umrichter ist ein Wechselrichter. Jeder der Umrichter kann als passiver oder aktiver Umrichter ausgebildet sein. Ein als passiver Umrichter ausgebildeter Umrichter ist insbesondere mit Dioden realisiert, ein als aktiver Umrichter ausgebildeter Um- richter ist insbesondere mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (engl: insulated- gate bipolar transistors IGBTs) realisiert.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Umrichtersystem mindestens einen Netzfilter aufweist. Der Netzfilter ist bevorzugt mit dem netzwerkseitigen Umrichter elektrisch verbun- den. Insbesondere schließt sich in Netzrichtung an den netzwerkseitigen Umrichter ein (dreiphasiger) Transformator an, der elektrisch zwischen den netzwerkseitigen Umrichter und das Netzwerk zwischengeschaltet ist.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage (WEA) weist das vorgenannte Umrichtersystem und eine als Generator betreibbare elektrische Maschine auf. Die elektrische Maschine ist als Synchronmaschine (Synchrongenerator) oder als Asynchronmaschine (Asynchrongenerator) ausgebildet. Das Energiespeichersystem ist insbesondere ein Batteriesystem mit parallel und/oder seriell verschalteten wiederaufladbaren Batterien. Zweckmäßigerweise wird das Energiespeichersystem in der Nähe der WEA installiert, insbesondere in einem maximal in der Größenordnung des Ausmaßes der Windenergieanlage liegenden Bereich der WEA.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Windenergieanlage einen Turm auf, in und/oder an dessen Turmfuß das Energiespeichersystem angeordnet ist. Aufgrund des hohen Gewichts des Energiespeichersystems ergibt sich ein niedriger Schwerpunkt.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung aus einem Generator und einem Umrichtersystem einer Windenergieanlage und
Fig. 2 ein Diagramm, bei dem die Zwischenkreisspannung über dem Lade- bzw. Entladestrom aufgetragen ist.
Die Figur 1 zeigt die Anordnung einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine 10 und einem Umrichtersystem 12 einer Windenergieanlage (WEA). Die mehrphasige elektrische Maschine 10 ist dabei zum Beispiel als Synchrongenerator ausgebildet, könnte jedoch auch als Asynchrongenerator ausgebildet sein. Die Anzahl der Phasen kann dabei zum Beispiel drei oder sechs sein. Die elektrische Maschine 10 ist über drei Leitungen 14, 16, 18 mit einem maschinenseitigen Umrichter 20 des Umrichtersystems 12 elektrisch verbunden. Innerhalb des maschinenseitigen Umrichters 20 sind die Leitungen 14, 16, 18 über Transistoren 22 (insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode - engl: insulated-gate bipolar transistors IGBTs) mit zwei die Zwischenkreispotentiale eines Gleichspannungszwischenkreises 24 des Umrichtersystems 12 aufweisenden Potentialträgern 26, 28 verbunden. Der maschinenseitigen Umrichter 20 ist als aktiver Gleichrichter 30 ausgebildet.
Der Zwischenkreis 24 weist neben einem Zwischenkreiskondensator 32 in einem die beiden Potentialträger 26, 28 verbindenden Strompfad 34 auch zwei Einrichtungen zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung 36, 38 auf. Die eine der Einrichtungen 36 umfasst ein Brems- Chopper 40, der in einem die Potentialträger 26, 28 ebenfalls elektrisch verbindenden weiteren Strompfad 42 einen Widerstand (Bremswiderstand) 44 und ein Schalttransistor 46 aufweist, die seriell angeordnet sind. Die andere der Einrichtungen 38 weist einen Hochsetzsteller 48 auf, der ein induktives Element 50 im Potentialträger 26 mit dem höheren Potential und einen weiteren Schalttransistor 52 in einem die beiden Potentialträger 26, 28 ebenfalls verbindenden anderen Strompfad 54 aufweist.
Zwischen dem Zwischenkreis 24 und drei Anschlussleitungen 56, 58, 60 für ein nicht gezeigtes Netzwerk weist das Umrichtersystem 12 einen als Wechselrichter 62 ausgebildeten netz- seitigen Umrichter 64 auf. Innerhalb des netzwerkseitigen Umrichters 64 sind die Potentialträger 26, 28 über Transistoren 66 (insbesondere IGBT's) mit den drei Leitungen 56, 58, 60 verbunden. Der netzwerkseitige Umrichter 64 ist somit als aktiven Wechselrichter 62 ausgebildet.
Das Umrichtersystem 12 weist weiterhin ein als Batteriesystem ausgebildetes Energiespeichersystem 68 auf, dessen Pole 70, 72 über jeweilige Dioden 74, 76 elektrisch an die Potentialträger 26, 28 mit den Zwischenkreisspannungspotentialen U+, U- gekoppelt ist. Das Energiespeichersystem 68 weist insbesondere mehrere Energiespeicher 78, 80 auf, die in Serie und/oder parallel verschaltet sind. Die Energiespeicher 78, 80 sind bei einem als Batteriesystem ausgebildeten elektrischen Energiespeichersystem 68 wiederaufladbare Batterien (oder Akkumulatoren) beziehungsweise Batteriezellen. Das Laden und Entladen der wiederaufladbaren Energiespeicher 78, 80 erfolgt über eine Steuerung und/oder Regelung der Höhe der Zwischenkreisspannung mittels der mindestens einen Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung 36, 38 und einer Steuer- /Regelvorrichtung (nicht gezeigt) zur Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung 36, 38 und dem netzwerkseitigen Umrichter 64.
Ist die Zwischenkreisspannung größer als die zwischen den Polen 70, 72 anliegende Span- nung des elektrischen Energiespeichersystems 68, so werden die Energiespeicher 78, 80 geladen, ist die Spannung kleiner als die Spannung des elektrischen Energiespeichersystems 68, so werden die Energiespeicher 78, 80 entladen. Über den netzwerkseitigen Umrichter 64 wird die Energie ins Netzwerk abgegeben. Die Zwischenkreisspannung (U = U+ - U-) ist so zu dimensionieren, dass sie auch beim Entladen der Energiespeicher 78, 80 noch hoch genug ist um die Energie ins Netz einzuspeisen. Beim Laden der Energiespeicher 78, 80 darf die Spannung nicht zu groß werden, um die Sperrschicht der als IGBT's ausgebildeten Transistoren 22, 66 und der sonstigen verwendeten Bauteile 44, 46, 50, 52 nicht zu zerstören.
Die Figur 2 zeigt eine entsprechende Graphik, bei der die Zwischenkreisspannung über dem Lade- bzw. Entladestrom aufgetragen ist. Eine Spannungsschwelle Vs, die den Ladebereich vom Entladebereich trennt, liegt zum Beispiel bei 1000 V. Die Energiespeicher 78, 80 werden somit bei einem Wert der Zwischenkreisspannung unterhalb dieser Spannungsschwelle Vs entladen (Bereich I) und bei einem Wert der Zwischenkreisspannung oberhalb der ersten Spannungsschwelle Vsl geladen (Bereich II). Typische Werte der Zwischenkreisspannung sind 950 V DC zum Entladen und 1050 V DC zum Laden.
Die Zwischenkreisspannung wird - mittels des Hochsetzstellers 48 angehoben,
- über den netzseitigen Umrichter 64 geregelt und durch Leistungsabgabe in das Netzwerk gesenkt,
- durch den maschineseitigen Umrichter 20 geladen, wobei die Zwischenkreisspannung bei Energiezufuhr ansteigt und
- mittels des Brems-Choppers 40 gegebenenfalls abgesenkt, um die Zwischenkreisspannung in einem vorgegebenen Bereich zu halten. Diese Option wird benötigt, wenn zum Beispiel durch einen Netzspannungseinbruch im Netzwerk die Zwischenkreisenergie nicht über den netzwerkseitigen Umrichter 64 in das Netzwerk abgegeben werden kann.
Insbesondere erfolgt die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Dreh- zahl und/oder dem Drehmoment und/oder der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine 10 abhängigen Größe und/oder in Abhängigkeit einer von der Frequenz und/oder Spannung des Netzwerks abhängigen Größe.
Zweckmäßig wird das Batterie System in der Nähe der WEA installiert, zum Beispiel im Turmfuß der Anlage.
Bezugszeichenliste
10 elektrische Maschine
12 Umrichtersystem
14 Leitung
16 Leitung
18 Leitung
20 Umrichter
22 Transistor
24 Gleichspannungszwischenkreis
26 Potentialträger
28 Potentialträger
30 Gleichrichter
32 Zwischenkreiskondensator
34 Strompfad
36 Einrichtung
38 Einrichtung
40 Brems-Chopper
42 Strompfad
44 Widerstand
46 Schalttransitor
48 Hochsetzsteller
50 induktives Element
52 Schalttransistor
54 Strompfad
56 Leitung
58 Leitung
60 Leitung
62 Wechselrichter
64 Umrichter
66 Transistor 68 Energiespeichersystem
70 Pol
72 Pol
74 Diode
76 Diode
78 Energiespeicher
80 Energiespeicher
U+ oberes Zwischenkreisspannungspotential u- unteres Zwischenkreisspannungspotential

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine (10) an ein Energieversorgungsnetzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems (68) mit wiederaufladbaren Energiespeichern (78, 80), wobei ein Umrichtersystem (12) elektrisch zwischen die elektrische Maschine (10) und das Netzwerk zwischengeschaltet ist, das einen netzwerkseitigen Umrichter (64) und einen Gleichspannungszwischenkreis (24) mit mindestens einer Einrichtung (36, 38) zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespei- chersystem (68) an die Zwischenkreisspannungspotentiale (U+, U-) des Gleichspannungszwischenkreises (24) gekoppelt ist und dass ein Laden und Entladen der Energiespeicher (78, 80) durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (64) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment und/oder der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine (10) abhängigen Größe erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Frequenz und/oder von der Spannung des Netzwerks abhängigen Größe erfolgt.
4. Umrichtersystem zur elektrischen Kopplung einer als Generator betreibbaren elektri- sehen Maschine (10) an ein Energieversorgungsnetzwerk, wobei das Umrichtersystem (12) einen netwerkseitigen Umrichter (64) und einen Gleichspannungszwischenkreis (24) mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) aufweist, gekennzeichnet durch ein Energiespeichersystem (68) mit wiederaufladbaren Energie- speichern (78, 80), wobei das Energiespeichersystem (68) elektrisch an die Zwischenkreis- spannungspotentiale (U+, U-) des Gleichspannungszwischenkreises (24) gekoppelt ist.
5. Umrichtersystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Steuer- /Regelvorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (64) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38).
6. Umrichtersystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Energie- speichersystem (68) über Dioden (74, 76) elektrisch an die Zwischenkreisspannungspotentiale
(U+, U-) gekoppelt ist.
7. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36) einen Brems-Chopper (40) aufweist.
8. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (38) einen Hochsetzsteller (48) aufweist.
9. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (68) ein Batteriesystem mit wiederaufladbaren Batterien ist.
10. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch einen ma- schinenseitigen Umrichter (20).
11. Windenergieanlage mit dem Umrichtersystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine (10).
12. Windenergieanlage nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Turm in und/oder an dessen Turmfuß das Energiespeichersystem (68) angeordnet ist.
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