DE102004007461A1

DE102004007461A1 - Verfahren zum Betreiben einer Windkraftanlage, und dementsprechend ausgestaltete Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102004007461A1
Application number: DE102004007461A
Authority: DE
Inventors: Andreas Gevers
Original assignee: HELGERS FINANZBERATUNG GmbH
Current assignee: HELGERS FINANZBERATUNG GmbH
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2005078278A1

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

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 Eigenschutz-„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 dementsprechende 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 erfolgt, 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 Windkraftanlage.
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 elektrische Energie in einen Energiespeicher einzuspeisen, aus dem sie später verbraucht werden kann.
Diese kontrollierte Ableitung der im Generator durch die weitergehende 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 erzeugter Energie in die dafür vorgesehenen Verbraucher zur Zerstörung der Verbaucher führen könnte, beispielsweise zur Überhitzung 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 Windkraftanlage 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 Eigenschutzmechanismus 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 Sicherheitsmodul 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 Ausführungsbeispiel 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 koordiniertes Herunterfahren der Windkraftanlage 1 ermöglicht.

Claims

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.
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 erzeugtwie durch die Verstellung des Anstellwinkels von Rotorblättern (4).
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Generator (7) erzeugte Energie in einen Energiespeicher eingespeist wird.
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 Teilkapazität derart bemessen ist, dass die im Energiespeicher gespeicherte Energie zum Herunterfahren der Windkraftanlage (1) ausreichend ist – wie zum Abschalten des Generators (7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Generator (7) erzeugte Energie einem Verbraucher zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie in Wärme umgewandelt wird.
Windkraftanlage, mit einem Getriebe, einem Generator, und einem Umrichter, sowie mit einem Anschluß zur Verbindung der Windkraftan lage 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.
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.
Windkraftanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsmodul (10) schaltungstechnisch 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.
Windkraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (8) unter Verzicht auf einen ausschließlich den Umsetzer (8) schützenden Eigenschutzmechanismus – wie einen sogenannten Scraw Bar – ausgestaltet ist.