DE29824895U1

DE29824895U1 - Wind turbine

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Publication number: DE29824895U1
Application number: DE29824895U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2008-12-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor und einem mit dem Rotor gekoppelten elektrischen Generator zum Abgeben elektrischer Leistung an einen elektrischen Verbraucher, insbesondere ein elektrisches Netz.The invention relates to a wind turbine with a rotor and an electrical generator coupled to the rotor for delivering electrical power to an electrical consumer, in particular an electrical network.

Bei den bekannten Windenergieanlagen zum Erzeugen elektrischer Energie aus Wind wird der Generator mit dem elektrischen Verbraucher, häufig einem elektrischen Netz im Parallelbetrieb betrieben. Während des Betriebs der Windenergieanlage variiert die von dem Generator bereitgestellte elektrische Leistung in Abhängigkeit von der aktuellen Windgeschwindigkeit und somit der Windleistung. Dies hat zur Folge, dass auch die elektrische Generator-Spannung in Abhängigkeit von der Windleistung variabel ist. Dies führt zu folgenden Problemen:In the known wind turbines for generating electrical energy from wind, the generator is operated in parallel with the electrical consumer, often an electrical network. During operation of the wind turbine, the electrical power provided by the generator varies depending on the current wind speed and thus the wind power. This means that the electrical generator voltage is also variable depending on the wind power. This leads to the following problems:

Im Falle der Einspeisung der erzeugten elektrischen Leistung in ein elektrisches Netz, beispielsweise ein öffentliches Stromnetz, kommt es an einem Verknüpfungs- oder Netzanbindungspunkt, an dem die elektrische Generator-Leistung in das Netz eingespeist wird, zu einer Erhöhung der Netzspannung. Insbesondere bei starken Spannungsänderungen der Generator-Spannung kommt es zu starken, unerwünschten Änderungen der Netzspannung. If the generated electrical power is fed into an electrical network, for example a public power grid, the grid voltage increases at a connection or grid connection point where the electrical generator power is fed into the grid. In particular, strong changes in the generator voltage can lead to strong, undesirable changes in the grid voltage.

Unter besonderen Umständen kann es dazu kommen, dass die Netzspannung im Versorgungsnetz auf einen unerwünscht hohen Wert ansteigt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die abgenommene Leistung seitens der Verbraucher sehr gering ist, während in das Versorgungsnetz hohe elektrische Leistung eingebracht wird. Solche Situationen können beispielsweise Nachts auftreten, wenn die elektrische Verbrauchsleistung in den Haushalten eher gering ist, während bei starkem Wind von einem Windenergiekonverter eine entsprechend hohe elektrische Leistung dem Versorgungsnetz zur Verfügung gestellt wird. Wenn die Spannung im Versorgungsnetz bzw. am Netzanbindungspunkt der Windenergieanlage über einen vorbestimmten Wert ansteigt, muss die Windenergieanlage bzw. dessen Generator vom Netz abgekoppelt werden und die Windenergieanlage müsste, weil keine Leistung mehr abgenommen werden kann, vom Netz völlig abgeschaltet werden. Eine derartige Abschaltung führt zu einer für den Betreiber der Windenergieanlage und den Betreiber des Netzwerkes gleichermaßen unerwünschten Unterbrechung der Einspeisung von elektrischer Leistung.Under special circumstances, the mains voltage in the supply network can rise to an undesirably high level. This is particularly the case when the power drawn by consumers is very low while high electrical power is fed into the supply network. Such situations can occur, for example, at night when electrical consumption in households is rather low, while in strong winds a wind energy converter makes a correspondingly high electrical power available to the supply network. If the voltage in the supply network or at the grid connection point of the wind turbine rises above a predetermined value, the wind turbine or its generator must be disconnected from the grid and the wind turbine would have to be completely switched off from the grid because no more power can be drawn. Such a shutdown leads to an interruption in the feed-in of electrical power, which is undesirable for both the operator of the wind turbine and the operator of the network.

Aus DE-PS 368 799, DE-OS 44 28 085 sowie DE-OS 30 23 195 ist es allgemein bekannt, dass bei Anlagen, wie Windkraftanlagen oder Solargeneratoren die vom Generator bereitgestellte Leistung schwankt, was bei der Einspeisung in das Netz 24 zu den oben beschriebenen Problemen führt.It is generally known from DE-PS 368 799, DE-OS 44 28 085 and DE-OS 30 23 195 that in systems such as wind turbines or solar generators, the power provided by the generator fluctuates, which leads to the problems described above when feeding into the grid 24.

Ferner ist aus DE-PS 38 33 719 ein Netz und eine verbraucherversorgende Stromerzeugungsanlage in Form einer Windenergieanlage bekannt, beiFurthermore, DE-PS 38 33 719 discloses a network and a consumer-supplying power generation plant in the form of a wind turbine, in which

welcher die elektrische Leistung, die der Generator der Windenergieanlage zur Verfügung stellt, mittels eines Wechselrichters in das Netz eingespeist wird. Aus DE 34 38 893 ist eine Stromerzeugungsanlage bekannt, die einen Generator mit einer Drehzahlregelung aufweist und bei der der Generator so gesteuert wird, dass die Generatorspannung nach Betrag und Frequenz konstant ist. Weiter ist aus DE 34 38 893 eine Stromerzeugungsanlage mit einer von schwankendem Primärenergie-Dargebot beaufschlagten Antriebsmaschine bekannt, die die Merkmale des Verfahrens aus dem O-berbegriff des Anspruches 1 offenbart.to which the electrical power provided by the generator of the wind turbine is fed into the grid by means of an inverter. From DE 34 38 893 a power generation system is known which has a generator with a speed control and in which the generator is controlled so that the generator voltage is constant in magnitude and frequency. Furthermore, from DE 34 38 893 a power generation system with a drive machine acted upon by a fluctuating primary energy supply is known, which discloses the features of the method from the preamble of claim 1.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage anzugeben, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere Spannungsüberschwankungen beim Verbraucher, insbesondere einem elektrischen Netz sowie eine unerwünschte Abschaltung der Windenergieanlage vermeidet.The object of the present invention is to provide a method for operating a wind turbine and a wind turbine which avoids the disadvantages of the prior art and in particular avoids voltage fluctuations at the consumer, in particular an electrical network, and an undesired shutdown of the wind turbine.

Die Erfindung löst die Aufgabe einer Windenergieanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1.The invention solves the problem of a wind energy plant with the features of claim 1.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe gelöst durch eine Regelungseinrichtung mit einem Spannungsaufnehmer zum Aufnehmen einer beim Verbraucher anliegenden elektrischen Spannung z. B. Netzspannung, so dass die von dem Generator an den Verbraucher abgegebene Leistung in Abhängigkeit von der durch den Spannungsaufnehmer aufgenommenen Spannung regelbar ist.In a device of the type mentioned at the outset, the object is achieved by a control device with a voltage sensor for picking up an electrical voltage applied to the consumer, e.g. mains voltage, so that the power delivered by the generator to the consumer can be regulated as a function of the voltage picked up by the voltage sensor.

Wie beschrieben, kann es bei Energieerzeugung zur Schwankung der erzeugbaren Energie kommen, was bei Windenergieanlagen abhängig von der Windstärke naturgegeben ist. Diese Schwankungen sind jedoch nicht Ausgangspunkt der Erfindung. Vielmehr beschäftigt sich die Erfindung mit dem Problem, dass es auch auf der Verbraucherseite Schwankungen im Leistungsverbrauch gibt, was sich als schwankende Netzspannung auswirkt.As described, the energy that can be generated can fluctuate during energy production, which is a natural occurrence in wind turbines depending on the wind strength. However, these fluctuations are not the starting point of the invention. Rather, the invention deals with the problem that there are also fluctuations in power consumption on the consumer side, which results in fluctuating mains voltage.

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Solche Netzspannungen sind bekanntlich kritisch, weil die elektrischen Geräte - insbesondere Computer - häufig nur ungenügend gegen kritische Spannungsschwankungen gesichert sind. Die Erfindung sieht somit vor, dass nicht nur die Schwankung in der Energieerzeugung auf der Erzeugerseite sondern auch die Schwankung auf der Verbraucherseite bei der Einspeisung der Energie berücksichtigt wird, so dass die bereitgestellte elektrische Spannung am Einspeisepunkt auf dem gewünschten Sollwert eingeregelt wird.Such mains voltages are known to be critical because electrical devices - especially computers - are often inadequately protected against critical voltage fluctuations. The invention therefore provides that not only the fluctuation in energy production on the generator side but also the fluctuation on the consumer side when feeding in the energy is taken into account, so that the electrical voltage provided at the feed-in point is regulated to the desired target value.

Die Erfindung vermeidet unerwünschte Schwankungen der beim Verbraueher anliegenden Spannung, insbesondere in einem Netz bestehenden elektrischen Spannung, indem die abgegebene elektrische Leistung des Generators in Abhängigkeit von der Spannung des Verbrauchers bzw. des Netzes eingeregelt wird. Dadurch werden auch unerwünschte Spannungsschwankungen vermieden, die sich aus Änderungen der Windleistung ergeben können.The invention avoids undesirable fluctuations in the voltage applied to the consumer, in particular the electrical voltage in a network, by regulating the electrical power output of the generator depending on the voltage of the consumer or the network. This also avoids undesirable voltage fluctuations that can result from changes in wind power.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass selbst bei sehr starken Änderungen der Windleistung die Windenergieanlage nicht abgeschaltet zu werden braucht, um Netzschwankungen zu verhindern. Erfindungsgemäß wird die Windenergieanlage auch bei starken Änderungen der Windleistung weiterbetrieben, ohne dass Netzspannungsänderungen auftreten. Hierzu ist die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung mit Spannungsaufnehmern zum Aufnehmen der am Verbraucher oder dem Netz anliegenden Spannung ausgestattet.A further advantage of the invention is that even in the event of very large changes in wind power, the wind turbine does not need to be switched off in order to prevent grid fluctuations. According to the invention, the wind turbine continues to operate even in the event of large changes in wind power, without grid voltage changes occurring. For this purpose, the control device according to the invention is equipped with voltage sensors for recording the voltage present at the consumer or the grid.

Mit Hilfe der Erfindung können ferner auch bei konstanter Windleistung Netzspannungsschwankungen kompensiert werden, wie regelmäßig in elektrischen Netzwerken zur Elektrizitätsversorgung auftreten, da einige mit dem Netz verbundene Verbraucher zeitweilig große Leistungen aus dem Netz aufnehmen, woraus eine Spannungsreduzierung resultieren kann. Im Falle einer solchen Spannungsreduzierung kann die erfindungsgemäße Windenergieanlage eine erhöhte elektrische Leistung in das Netz einspeisen und auf diese Weise Spannungsschwankungen kompensieren. Hierzu wird bei-With the help of the invention, even with constant wind power, grid voltage fluctuations can be compensated, as regularly occur in electrical networks for electricity supply, since some consumers connected to the grid temporarily consume large amounts of power from the grid, which can result in a voltage reduction. In the event of such a voltage reduction, the wind energy plant according to the invention can feed an increased electrical power into the grid and in this way compensate for voltage fluctuations. For this purpose,

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spielsweise auf der Grundlage des erfindungsgemäß aufgenommenen Netzspannungswertes die Einspeisespannung an der Schnittstelle zwischen Windenergieanlage und Netz angehoben.For example, on the basis of the grid voltage value recorded according to the invention, the feed-in voltage at the interface between the wind turbine and the grid is increased.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die abgegebene Leistung geregelt, indem die bereitgestellte elektrische Spannung auf einen gewünschten Sollwert eingeregelt wird. Hierbei kann auf besonders einfache Weise eine Netzspannungskompensation vorgenommen werden, die - wie zuvor beschrieben - beispielsweise auftreten kann, wenn ein an das Netz angeschlossener Verbraucher eine hohe Leistung benötigt.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the output power is regulated by adjusting the electrical voltage provided to a desired setpoint. In this case, a mains voltage compensation can be carried out in a particularly simple manner, which - as described above - can occur, for example, when a consumer connected to the mains requires a high power.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die elektrische Spannung als Wechselspannung mit einer vorgebbaren Frequenz bereitgestellt. Auf diese Weise kann die eingespeiste Leistung an die Zustände im Netz angepasst werden und kann die Netzfrequenz beeinflusst werden. Zweckmäßigerweise entspricht die vorgebbare Frequenz der Netzfrequenz. According to a further preferred embodiment of the invention, the electrical voltage is provided as an alternating voltage with a predeterminable frequency. In this way, the power fed in can be adapted to the conditions in the network and the network frequency can be influenced. The predeterminable frequency expediently corresponds to the network frequency.

Die erfindungsgemäße Windenergieanlage wird in vorteilhafter Weise weitergebildet durch eine Regelungseinrichtung, die einen Mikroprozessor aufweist, da auf diese Weise eine digitale Regelung verwirklicht werden kann.The wind energy plant according to the invention is advantageously further developed by a control device which has a microprocessor, since in this way a digital control can be realized.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Windenergieanlage unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigen:The invention is illustrated below using an embodiment of a method for operating a wind turbine with reference to the drawings.

Fig. 1 eine in ein Netz einspeisende Windenergieanlage in einer schematischen Darstellung;Fig. 1 shows a wind turbine feeding into a grid in a schematic representation;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Regelungseinrichtung zum Betreiben einer Windkraftanlage; undFig. 2 shows a control device according to the invention for operating a wind turbine; and

Fig. 3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Windleistung und Netzspannung veranschaulicht.Fig. 3 is a diagram illustrating the relationship between wind power and grid voltage.

Eine in Fig. 1 schematisch dargestellte Windenergieanlage 2 mit einem Rotor 4 ist mit einem elektrischen Netz 6, das beispielsweise ein öffentliches Netz sein kann, verbunden. An das Netz sind mehrere elektrische Verbraucher 8 angeschlossen. Der in Fig. 1 nicht dargestellte elektrische Generator der Windenergieaniage 2 ist mit einer elektrischen Steuerungs- und Regelungsanordnung 10 gekoppelt, die den in dem Generator erzeugten Wechselstrom zunächst gleichrichtet und anschließend in eine Wechselspannung umwandelt, die der Netzfrequenz entspricht. Anstelle eines Netzes 6 könnte auch ein einzelner Verbraucher von der Windenergieanlage 2 mit elektrischer E-nergie versorgt werden. Die Steuerungs- und Regelungsanordnung 10 weist eine erfindungsgemäße Regelungseinrichtung auf.A wind turbine 2 with a rotor 4, shown schematically in Fig. 1, is connected to an electrical network 6, which can be a public network, for example. Several electrical consumers 8 are connected to the network. The electrical generator of the wind turbine 2, not shown in Fig. 1, is coupled to an electrical control and regulation arrangement 10, which first rectifies the alternating current generated in the generator and then converts it into an alternating voltage that corresponds to the network frequency. Instead of a network 6, a single consumer could also be supplied with electrical energy by the wind turbine 2. The control and regulation arrangement 10 has a control device according to the invention.

Fig. 2 veranschaulicht die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung. Der schematisch dargestellte Rotor 4 ist mit einem Generator 12 gekoppelt, der eine elektrische Leistung bereitstellt, die von der Windgeschwindigkeit und somit der Windleistung abhängt. Die in dem Generator 12 erzeugte Wechselspannung kann zunächst gleichgerichtet und anschließend in eine Wechselspannung umgewandelt werden, die eine der Netzfrequenz entsprechende Frequenz aufweist.Fig. 2 illustrates the control device according to the invention. The schematically shown rotor 4 is coupled to a generator 12, which provides an electrical output that depends on the wind speed and thus the wind power. The alternating voltage generated in the generator 12 can first be rectified and then converted into an alternating voltage that has a frequency corresponding to the grid frequency.

Mit Hilfe eines Spannungsaufnehmers (nicht dargestellt) wird die Netzspannung an einem Ort in dem Netz 6 (Fig. 1) ermittelt. In Abhängigkeit von der ermittelten Netzspannung wird - ggf. mit Hilfe eines in Fig. 4 dargestellten Microprozessors - eine optimale Generator-Spannung U_sou (vgl. Fig. 2) berechnet. Mit Hilfe der Regelungseinrichtung wird dann die Generator-Spannung Uist auf den gewünschten Spannungswert U_son eingeregelt. Durch diese Regelung der Generator-Spannung wird die von dem Generator 12 an einen Verbraucher, im Ausführungsbeispiel das Netz 6, abgegebene elektrische Leistung geregelt, die in das Netz 6 eingespeist wird. Durch eine derartig geregelte Einspeisung der von der Windenergieanlage abgegebenenWith the help of a voltage sensor (not shown), the mains voltage is determined at a location in the network 6 (Fig. 1). Depending on the determined mains voltage - if necessary with the help of a microprocessor shown in Fig. 4 - an optimal generator voltage U _so u (see Fig. 2) is calculated. With the help of the control device, the generator voltage Uactual is then regulated to the desired voltage value U _so n. By regulating the generator voltage, the electrical power delivered by the generator 12 to a consumer, in the exemplary embodiment the network 6, is regulated, which is fed into the network 6. By feeding in the power delivered by the wind turbine in such a regulated manner,

Leistung können Schwankungen der Netzspannung im Netz 6 vermieden oder erheblich reduziert werden.Performance, fluctuations in the mains voltage in network 6 can be avoided or significantly reduced.

Das in Fig. 3 dargestellte Diagramm veranschaulicht den Zusammenhang zwischen der auf der Ordinate aufgetragenen von der Windenergieanlage abgegebenen Leistung und der auf der Abszisse aufgetragenen Netzspannung. Weicht die Netzspannung nur wenig von ihrem Sollwert ab, der zwischen den Spannungswerten U_min und U_max liegt, so wird entsprechend dem geraden oberen Abschnitt der Kurve (gerade Linie parallel zur Abszisse) eine gleichbleibende Leistung von dem Generator an das Netz abgegeben. Steigt die Netzspannung weiter an und übersteigt einen Wert, der durch den Punkt P1 definiert ist, so wird die eingespeiste Leistung reduziert. Ist der Wert U_max erreicht, so ist die eingespeiste Leistung gleich Null (Punkt P2). Selbst in dem Fall, dass eine hohe Windleistung vorhanden ist, wird in Punkt P2 keine Leistung in das Netz eingespeist. Sinkt die Windleistung stark ab, so kann nur noch eine reduzierte Leistung in das Netz eingespeist werden. Selbst wenn keine Leistung seitens des Windenergiekonverters mehr abgegeben wird, wird dieser - allerdings ohne Leistungsabgabe - weiterbetrieben, so dass stets eine Leistungsabgabe erfolgen kann, sobald die Netzspannung wieder einen Wert zwischen U_min und U_max angenommen hat.The diagram in Fig. 3 illustrates the relationship between the power delivered by the wind turbine, plotted on the ordinate, and the grid voltage, plotted on the abscissa. If the grid voltage deviates only slightly from its target value, which lies between the voltage values U _min and U _max , a constant power is delivered from the generator to the grid according to the straight upper section of the curve (straight line parallel to the abscissa). If the grid voltage continues to rise and exceeds a value defined by point P1, the power fed in is reduced. If the value U _max is reached, the power fed in is zero (point P2). Even if there is high wind power, no power is fed into the grid at point P2. If the wind power drops sharply, only reduced power can be fed into the grid. Even if the wind energy converter no longer produces any power, it will continue to operate - albeit without output - so that power can always be output as soon as the grid voltage has returned to a value between U _min and U _max .

Fig. 4 zeigt wesentliche Bestandteile der Steuerungs- und Regelungsanordnung 10 aus Fig. 1. Die Steuerungs- und Regelungsanordnung 10 weist einen Gleichrichter 16 auf, in dem die in dem Generator erzeugte Wechselspannung gleichgerichtet wird. Ein mit dem Gleichrichter 16 verbundener Frequenzumrichter 18 wandelt die zunächst gleichgerichtete Gleichspannung in eine Wechselspannung um, die als dreiphasige Wechselspannung über die Leitungen L1, L2 und L3 in das Netz 6 eingespeist wird. Der Frequenzumrichter 18 wird mit Hilfe eines Mikrocomputers 20, der Teil der gesamten Regelungseinrichtung ist, gesteuert. Hierzu ist der Mikroprozessor 20 mit dem Frequenzumrichter 18 gekoppelt. Als Eingangsgrößen für die Regelung der Spannung, mit der die von der Windenergieanlage 2 zur Verfügung gestellte elektrische Leistung in das Netz 6 eingespeist wird, sind die aktuelleFig. 4 shows essential components of the control and regulation arrangement 10 from Fig. 1. The control and regulation arrangement 10 has a rectifier 16 in which the alternating voltage generated in the generator is rectified. A frequency converter 18 connected to the rectifier 16 converts the initially rectified direct voltage into an alternating voltage, which is fed into the network 6 as a three-phase alternating voltage via the lines L1, L2 and L3. The frequency converter 18 is controlled with the aid of a microcomputer 20, which is part of the overall control device. For this purpose, the microprocessor 20 is coupled to the frequency converter 18. The input variables for regulating the voltage with which the electrical power provided by the wind turbine 2 is fed into the network 6 are the current

Netzspannung U, die Netzfrequenz f, die elektrische Leistung P des Generators, der Blindleistungsfaktor cos_ sowie der Leistungsgradient dP/dt. In dem Mikroprozessor 20 wird die erfindungsgemäße Regelung der einzuspeisenden Spannung verwirklicht.Mains voltage U, the mains frequency f, the electrical power P of the generator, the reactive power factor cos_ and the power gradient dP/dt. The inventive control of the voltage to be fed in is implemented in the microprocessor 20.

Fig. 5 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Spannungen und Ströme der drei Phasen des Netzes 6.Fig. 5 illustrates the time course of the voltages and currents of the three phases of the network 6.

Claims

1. Wind energy plant with a rotor and an electrical generator coupled to the rotor for delivering electrical power to an electrical network ( 6 ), to a control device with a voltage pickup for picking up an electrical voltage applied to the electrical network ( 6 ), wherein a wind energy plant is connected to the electrical network without power output when the network voltage is greater or less than a predetermined network voltage value (U _min , U _max ), wherein the predetermined network voltage value is greater or less than the network voltage setpoint.

2. Wind energy plant according to claim 1, characterized in that power is again delivered when the mains voltage has a value which is smaller or larger than the predetermined mains voltage value (U _min , U _max ).

3. Wind energy plant with a rotor ( 4 ) and an electrical generator coupled to the rotor ( 4 ) for supplying electrical power to an electrical network ( 6 ), characterized by a control device with a voltage sensor for receiving an electrical voltage applied to the network ( 6 ), so that the power supplied by the generator to the network ( 6 ) can be regulated as a function of the voltage received by the voltage sensor, in such a way that the power supplied to the network is reduced if a predefined network voltage value is exceeded or undershot.