AT11661U1 - Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage und verfahren zum betreiben dieser - Google Patents

Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage und verfahren zum betreiben dieser Download PDF

Info

Publication number
AT11661U1
AT11661U1 AT0807210U AT80722010U AT11661U1 AT 11661 U1 AT11661 U1 AT 11661U1 AT 0807210 U AT0807210 U AT 0807210U AT 80722010 U AT80722010 U AT 80722010U AT 11661 U1 AT11661 U1 AT 11661U1
Authority
AT
Austria
Prior art keywords
intermediate circuit
voltage
energy
drive
differential
Prior art date
Application number
AT0807210U
Other languages
English (en)
Original Assignee
Hehenberger Gerald Dipl Ing
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 Hehenberger Gerald Dipl Ing filed Critical Hehenberger Gerald Dipl Ing
Priority to AT0807210U priority Critical patent/AT11661U1/de
Publication of AT11661U1 publication Critical patent/AT11661U1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • F03D9/255—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator connected to electrical distribution networks; Arrangements therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/11—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing electrical energy
    • 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
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/706—Application in combination with an electrical generator
    • F05B2220/7064—Application in combination with an electrical generator of the alternating current (A.C.) type
    • F05B2220/70642—Application in combination with an electrical generator of the alternating current (A.C.) type of the synchronous type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/40—Transmission of power
    • F05B2260/403—Transmission of power through the shape of the drive components
    • F05B2260/4031—Transmission of power through the shape of the drive components as in toothed gearing
    • F05B2260/40311—Transmission of power through the shape of the drive components as in toothed gearing of the epicyclic, planetary or differential type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

Eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, weist eine mit einem Rotor (1) verbundene Antriebswelle, einen Generator (8) und ein Differenzialgetriebe (11 bis 13) mit drei An- bzw. Abtrieben auf, wobei ein erster Antrieb (12)mit der Antriebswelle (9), ein Abtrieb (13) mit einem Generator (8) und ein zweiter Antrieb (11) mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb (6, 14) verbunden ist. Der Differenzial-Antrieb (6, 14) ist über einen Frequenzumrichter (7, 15) mit einem Netz (10) verbunden, wobei der Frequenzumrichter (7, 15) im Gleichstromzwischenkreis (18) einen elektrischen Energiespeicher (20) und einen zwischen die Fasen des Gleichstromzwischenkreises (18) geschalteten ohmschen Widerstand (24) aufweist.

Description

österreichisches Patentamt AT 11 661 U1 2011-02-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer mit einem Rotor verbundenen Antriebswelle, einem Generator und mit einem Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb verbunden ist, und wobei der Differenzial-Antrieb über einen Frequenzumrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis mit einem Netz verbunden ist.
[0002] Die Erfindung betrifft des Weitern ein Verfahren zum Betreiben einer Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einem Differenzialgetriebe mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb, wobei der Differenzial-Antrieb über einen Frequenzumrichter mit einem Gleichstromzwischenkreis mit einem Netz verbunden ist.
[0003] Windkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung als Elektrizitätserzeugungsanlagen. Dadurch erhöht sich kontinuierlich der prozentuale Anteil der Stromerzeugung durch Wind. Dies wiederum bedingt einerseits neue Standards bezüglich Stromqualität (insbesondere im Hinblick auf das Verhalten der Windkraftwerke bei Spannungseinbrüchen im Netz) und andererseits einen Trend zu noch größeren Windkraftanlagen. Gleichzeitig ist ein Trend Richtung Off-shore-Windkraftanlagen erkennbar, welcher Anlagengrößen von zumindest 5MW installierter Leistung fordert. Durch die hohen Kosten für Infrastruktur und Instandhaltung der Windkraftanlagen im Offshore-Bereich, gewinnen hier sowohl Wirkungsgrad als auch Herstellkosten der Anlagen, mit dem damit zusammenhängenden Einsatz von Mittelspannungs-Synchrongenera-toren, eine besondere Bedeutung.
[0004] Die W02004/109157 A1 zeigt ein komplexes, hydrostatisches „Mehrwege'-Konzept mit mehreren parallelen Differenzialstufen und mehreren schaltbaren Kupplungen, wodurch zwischen den einzelnen Wegen geschaltet werden kann. Mit der gezeigten technischen Lösung können die Leistung und somit die Verluste der Hydrostatik reduziert werden. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch der komplizierte Aufbau der gesamten Einheit. Die ins Netz gespeiste elektrische Energie kommt dabei ausschließlich von dem vom Differenzialsystem angetriebenen Synchrongenerator.
[0005] EP 1283359 A1 zeigt ein 1-stufiges und ein mehrstufiges Differenzialgetriebe mit elektrischem Differenzial-Antrieb, welcher via Frequenzumrichter eine mit dem netzgekoppelten Synchrongenerator mechanisch verbundene, elektrische Maschine antreibt. Die ins Netz gespeiste elektrische Energie kommt auch in diesem Beispiel ausschließlich von dem vom Differenzialsystem angetriebenen Synchrongenerator.
[0006] WO 2006/010190 A1 zeigt den Triebstrang einer Windkraftanlage mit elektrischem Differenzial-Antrieb mit Frequenzumrichter, welcher parallel zum Synchrongenerator an das Netz angeschlossen wird.
[0007] Diese technischen Lösungen erlauben zwar den direkten Anschluss von Mittelspan-nungs-Synchrongeneratoren ans Netz, die Nachteile bekannter Ausführungen sind jedoch, dass Differenzialsysteme mit elektrischem Differenzial-Antrieb gemäß Stand der Technik nicht in der Lage sind Netzspannungseinbrüche zuverlässig auszuregeln.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist oben genannte Nachteile so weit wie möglich zu vermeiden.
[0009] Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Energiegewinnungsanlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, dass der Frequenzumrichter einen zwischen die Fasen des Gleichstromzwischenkreises geschalteten ohmschen Widerstand aufweist.
[0010] Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, dass dass im Falle eines Spannungseinbruches oder Spannungsausfalles oder einer Überspannung des Netzes im Gleichstromzwischenkreis des Frequenzumrichters ein ohmscher Widerstand zwischen die Fasen des Gleichstromzwischenkreises geschaltet wird.
[0011] Durch den vorzugsweise über einen Brems-Chopper zu- und wegschaltbaren ohmschen 1/9 österreichisches Patentamt AT 11 661 U1 2011-02-15
Widerstand, ist auf einfache Weise gewährleistet, dass der Differenzial-Antrieb für die Dauer eines Netzspannungsfehlers elektrische Energie abgeben kann.
[0012] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
[0013] Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben.
[0014] Fig. 1 zeigt für eine 5MW Windkraftanlage gemäß Stand der Technik die Leistungskur ve, die Rotordrehzahl und die sich dadurch ergebenden Kennwerte wie Schnelllaufzahl und den Leistungsbeiwert, [0015] Fig. 2 zeigt das Prinzip eines Differenzialgetriebes mit einem elektrischen Differenzial-
Antrieb gemäß Stand der Technik, [0016] Fig. 3 zeigt beispielhaft gemäß Stand der Technik die Drehzahl- und Leistungsverhält nisse eines elektrischen Differenzial-Antriebes über der Windgeschwindigkeit, [0017] Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den Leistungsbedarf des Differenzial-Antriebes bei LVRT, [0018] Fig. 5 zeigt einen elektrischen Differenzial-Antrieb mit Zwischenkreisspeicher und
Bremswiderstand gemäß vorliegender Erfindung.
[0019] Die Leistung des Rotors einer Windkraftanlage errechnet sich aus der Formel [0020] Rotor-Leistung = Rotorfläche * Leistungsbeiwert * Windgeschwindigkeit3 * Luftdichte / 2 [0021] wobei der Leistungsbeiwert abhängig von der Schnelllaufzahl (= Verhältnis Blattspitzen-Geschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit) des Rotors der Windkraftanlage ist. Der Rotor einer Windkraftanlage ist für einen optimalen Leistungsbeiwert basierend auf einer im Zuge der Entwicklung festzulegenden Schnelllaufzahl (meist ein Wert zw. 7 und 9) ausgelegt. Aus diesem Grund ist beim Betrieb der Windkraftanlage im Teillastbereich eine entsprechend kleine Drehzahl einzustellen, um einen optimalen aerodynamischen Wirkungsgrad zu gewährleisten.
[0022] Fig. 1 zeigt die Verhältnisse für Rotorleistung, Rotordrehzahl, Schnelllaufzahl und Leistungsbeiwert für einen vorgegebenen Drehzahlbereich des Rotors bzw. einer optimalen Schnelllaufzahl von 8,0-8,5. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass sobald die Schnelllaufzahl von ihrem optimalen Wert von 8,0-8,5 abweicht, der Leistungsbeiwert sinkt, und sich damit gemäß oben genannter Formel die Rotorleistung entsprechend der aerodynamischen Charakteristik des Rotors reduziert.
[0023] Fig. 2 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differenzialsystems für eine Windkraftanlage bestehend aus einer Differenzialstufe 3 bzw. 11 bis 13, einer Anpassungs-Getriebestufe 4 und einem elektrischen Differenzial-Antrieb 6. Der Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf der Antriebswelle 9 für das Hauptgetriebe 2 sitzt, treibt das Hauptgetriebe 2 an. Das Hauptgetriebe 2 ist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei Planetenstufen und einer Stirnradstufe. Zwischen Hauptgetriebe 2 und Generator 8 befindet sich die Differenzialstufe 3, welche vom Hauptgetriebe 2 über Planetenträger 12 der Differenzialstufe 3 angetrieben wird. Der Generator 8 - vorzugsweise ein fremderregter Mittelspannungs-Synchrongenerator - ist mit dem Hohlrad 13 der Differenzialstufe 3 verbunden und wird von diesem angetrieben. Das Ritzel 11 der Differenzialstufe 3 ist mit dem Differenzial-Antrieb 6 verbunden. Die Drehzahl des Differenzial-Antriebes 6 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 8 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im kompletten Triebstrang der Windkraftanlage zu regeln. Um die Eingangsdrehzahl für den Differenzial-Antrieb 6 zu erhöhen wird im gezeigten Fall ein 2-stufiges Differenzialgetriebe gewählt, welches eine Anpassungs-Getriebestufe 4 in Form einer Stirnradstufe zwischen Differenzialstufe 3 und Differenzial-Antrieb 6 vorsieht. Differenzialstufe 3 und Anpassungs-Getriebestufe 4 bilden somit das 2-stufige Differenzialgetriebe. Der Differenzial-Antrieb ist eine Drehstrommaschine, welche über Frequenzumrichter 7 und Transformator 5 parallel zum Generator 8 ans Netz 10 angeschlossen wird. 2/9 österreichisches Patentamt AT 11 661 U1 2011-02-15 [0024] Die Drehzahlgleichung für das Differenzialgetriebe lautet: [0025] DrehzahlGenerator = x * DrehzahlRotor + y * DrehzahlDifferenzial-Antrieb, [0026] wobei die Generatordrehzahl konstant ist, und sich die Faktoren x und y aus den gewählten Getriebeübersetzungen von Hauptgetriebe und Differenzialgetriebe ableiten lassen.
[0027] Das Drehmoment am Rotor wird durch das anstehende Windangebot und den aerodynamischen Wirkungsgrad des Rotors bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem Drehmoment an der Rotorwelle und dem am Differenzial-Antrieb ist konstant, wodurch sich das Drehmoment im Triebstrang durch den Differenzial-Antrieb regeln lässt. Die Drehmomentgleichung für den Differenzial-Antrieb lautet: [0028] DrehmomentDifferenzial-Antrieb = DrehmomentRotor * y / x, [0029] wobei der Größenfaktor yIx ein Maß für das notwendige Auslegungs-Drehmoment des Differenzial-Antriebes ist.
[0030] Die Leistung des Differenzial-Antriebes ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Rotordrehzahl von dessen Grunddrehzahl mal Rotor-Leistung, wobei die Grunddrehzahl jene Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage ist, bei der der Differenzial-Antrieb still steht, d.h. die Drehzahl gleich Null hat. Dementsprechend erfordert ein großer Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzial-Antriebes.
[0031] In Fig. 3 sieht man beispielhaft die Drehzahl- bzw. Leistungsverhältnisse für eine Differenzialstufe gemäß Stand der Technik. Die Drehzahl des Generators ist durch den Anschluss an das frequenzfeste Stromnetz konstant. Um den Differenzial-Antrieb entsprechend gut ausnutzen zu können, wird dieser Antrieb im Bereich kleiner der Grunddrehzahl motorisch und im Bereich größer der Grunddrehzahl generatorisch betrieben. Das führt dazu, dass im motorischen Bereich Leistung in die Differenzialstufe eingespeist wird und im generatorischen Bereich Leistung der Differenzialstufe entnommen wird. Diese Leistung wird im Falle eines elektrischen Differenzial-Antriebes vorzugsweise dem Netz entnommen bzw. in dieses eingespeist. Die Summe aus Generatorleistung und Leistung des Differenzial-Antriebes ergibt die für eine Windkraftanlage mit elektrischem Differenzial-Antrieb ins Netz abgegebene Gesamtleistung.
[0032] Im Sinne einer allgemein geforderten, hohen Stromqualität ist als wesentlichen Punkt zu berücksichtigen, dass Windkraftanlagen auch bei Netzspannungsfehlern am Netz bleiben müssen. Diese Eigenschaft wird allgemein als Low-Voltage-Ride-Through (LVRT) bzw. High-Voltage-Ride-Through (HVRT) bezeichnet, welche in diversen Richtlinien (z.B. von E.ON Netz) genau definiert wird. Auch während eines LVRT-Ereignisses mit einem Spannungseinbruch auf im ungünstigsten Fall 0V im Netz-Einspeisepunkt bzw. HVRT-Ereignisses mit Überspannung, soll wie schon erwähnt die Windkraftanlage am Netz bleiben, was bedeutet, dass die Drehzahl des Generators 8 (Fig. 2) soweit konstant gehalten werden muss, dass der Generator 8 bei Spannungswiederkehr (d.h. Rückkehr der Spannung auf Nennwert) mit dem Netz synchron ist. Darüber hinaus ist der Frequenzumrichter während eines HVRT-Ereignisses unter Umständen vom Netz zu nehmen, um Ihn vor unzulässiger Überspannung zu schützen, sofern z.B. sogenannte Überspannungsableiter keinen ausreichenden Schutz bieten.
[0033] Fig. 4 zeigt für eine 5MW-Windkraftanlage den Leistungsverlauf des Differenzial-Antriebes während eines möglichen LVRT-Ereignisses bei dem die Netzspannung zum Zeitpunkt 0 für 500ms auf Null fällt. Nachdem mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel Fig. 2 der Differenzial-Antrieb 6 zu Beginn des LVRT-Ereignisses eine Leistung von rd. 300kW liefert, fällt diese innerhalb kürzester Zeit auf 0kW. Anschließend bezieht der Differenzial-Antrieb 6 eine Leistung von bis zu rd. 300kW. Da zu diesem Zeitpunkt überhaupt keine oder zumindest keine ausreichende Netzversorgung gegeben ist, kann der Differenzial-Antrieb 6 die notwendige Drehzahl-/Momentregelung nicht aufrecht erhalten, und der Rotor 1 der Windkraftanlage würde den Generator 8 zum Kippen bringen, wodurch der Generator 8 die geforderte Drehzahl nicht mehr halten kann, um bei Spannungswiederkehr mit dem Netz synchron zu sein. Das dargestellte Beispiel stellt nur eine Möglichkeit des zeitlichen Verlaufes der Leistung des Differenzial- 3/9 österreichisches Patentamt AT 11 661 U1 2011-02-15
Antriebes 6 dar. Entsprechend den stochastischen Windverhältnissen und der zum Start-Zeitpunkt des LVRT-Ereignisses anstehenden Drehzahl/Leistung für den Rotor 1 der Windkraftanlage bzw. den Differenzial-Antrieb 6, kann es natürlich gleichermaßen Vorkommen, dass der Differenzial-Antrieb 6 im ersten Moment Leistung beziehen muss.
[0034] Um ein Kippen des Generators 8 zu verhindern, zeigt Fig. 5 erfindungsgemäß einen elektrischen Differenzial-Antrieb mit folgender Konfiguration. Der Differenzial-Antrieb 14 ist an einen Frequenzumrichter 15, bestehend aus motorseitiger IGBT-Brücke 16 und netzseitiger IGBT-Brücke 17 und kondensatorgestütztem Gleichstromzwischenkreis 18, angeschlossen. Die Spannung des Frequenzumrichters 15 wird mittels Trafo 19 an die Generatorspannung angepasst. An den Gleichstromzwischenkreis 18 ist ein Zwischenkreisspeicher 20 angeschlossen, der unter anderem vorzugsweise Kondensatoren 21 aufweist. Alternativ können z.B. auch Akkumulatoren eingesetzt werden. Die Kondensatoren 21 sind vorzugsweise sogenannte Supercaps, welche schon verbreitet bei Windkraftanlagen als Energiespeicher für Rotorblattverstellsysteme eingesetzt werden. Die notwendige Kapazität der einzusetzenden Kondensatoren 21 errechnet sich aus der Summe der während einer Netzstörung für den Antrieb des Differenzial-Antriebes notwendigen Energie. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Zwischenkreisspeicher 20 sowohl Energie liefern als auch Energie speichern muss, wobei nicht bekannt ist, welche Anforderung zuerst eintrifft. D.h. vorzugsweise ist der Zwischenkreisspeicher 20 teilweise geladen, wobei dann in diesem Zustand genügend Kapazität bezügl. maximal notwendigem Liefervolumen und maximal notwendigem Speichervolumen vorhanden sein muss.
[0035] Aus dem Beispiel gemäß Fig. 4 kann man eine Energieproduktion des Differenzial-Antriebes von zunächst ca. 10kJ, gefolgt von einem Energiebedarf von ca. 50kJ ableiten. In weiterer Folge flacht der Produktions-/Bedarfspegel ab, bzw. endet das LVRT-Ereignis ohnehin nach insgesamt 500ms. D.h. ein auf 10OkJ ausgelegte Zwischenkreisspeicher 20, sollte mit ca. 50kJ vorgeladen sein.
[0036] Aus Optimierungsgründen kann die Vorladung des Zwischenkreisspeichers 20 vom Betriebszustand der Windkraftanlage abhängig gemacht werden. Da der Differenzial-Antrieb bei Windkraftanlagen-Drehzahlen unterhalb der Grunddrehzahl motorisch betrieben wird, wird in diesem Betriebsbereich zuerst Energie vom Zwischenkreisspeicher 20 bezogen. Das heißt, dass der Zwischenkreisspeicher 20 entsprechend dem maximal zu liefernden Energiebedarf geladen sein muss. Dagegen wird der Differenzial-Antrieb bei Windkraftanlagen-Drehzahlen oberhalb der Grunddrehzahl generatorisch betrieben, was bedeutet, dass zuerst der Differenzial-Antrieb den Zwischenkreis lädt, um dann gern. Fig. 10 auf Bezug zu wechseln. In diesem Fall kann daher die Vorladung geringer sein, womit das maximal notwendige Speichervolumen des Zwischenkreisspeichers 20 reduziert wird. D.h. um im Beispiel gern. Fig. 10 aus dem Zwischenkreisspeicher ausreichend Energie zur Verfügung stellen zu können, muss dieser mit ca. 40kJ vorgeladen sein. Die für den Gesamtbedarf noch fehlenden 10kJ werden zu Beginn des LVRT-Ereignisses vom Differenzial-Antrieb geladen.
[0037] Da die minimale notwendige Speicherenergie grundsätzlich mit der Nennleistung der Windkraftanlage zusammenhängt, kann somit für die optimierte Variante, die für den Zwischenkreisspeicher 20 minimal erforderliche Speicherenergie mit ca. 8kJ / MW(Windkraftanlage-Nennleistung), bzw. inkl. ausreichender Reserve mit ca. 12kJ / MW(Windkraftanlage-Nennleistung) definiert werden. Dagegen sind bei zuerst beschriebener Auslegungsvariante zumindest 20kJ / MW(Windkraftanlage-Nennleistung) erforderlich.
[0038] Berücksichtigt man darüber hinaus, dass in vielen Fällen das LVRT- Ereignis maximal 150ms dauert, so reduziert sich die erforderliche Speicherenergie auf ca. 1/3 der oben genannten minimal erforderlichen Speicherenergie von ca. 8kJ / MW(Windkraftanlage-Nennleistung), das heißt auf ca. 2,5kJ / MW(Windkraftanlage-Nennleistung).
[0039] Ist der Zwischenkreisspeicher mit Kondensatoren ausgestattet, so kann dieser gemäß folgender Formel ausgelegt werden: [0040] Energie[J] = Kapazität[F] * Spannung[V]2 / 2 4/9

Claims (14)

  1. österreichisches Patentamt AT 11 661 U1 2011-02-15 [0041] Dabei kann die Spannung im Gleichstromzwischenkreis des Frequenzumrichters typischerweise zwischen einer Spannungsobergrenze SpO = 1150V und einer Spannungsuntergrenze SpU = 900V pendeln. D.h. die max. nutzbare Speicherenergie errechnet sich in diesem Fall aus [0042] nutzbare Speicherenergie = Kapazität * (Sp02 -SpU2) / 2. [0043] Im Normalbetrieb der Anlage, das heißt wenn weder LVRT-Ereignisse noch HVRT-Ereignisse stattfinden, wird der Zwischenkreisspeicher 20 je nach Betriebszustand der Anlage zwischen 20% und 80% seiner nutzbaren Speicherenergie geladen sein, dabei einem derartigen Ladezustand eine ausreichende Kapazität für alle denkbaren Betriebszustände vorhanden ist. [0044] Der Frequenzumrichter 15 verfügt über die für die geeignete Ladung des Zwischenkreisspeichers 20 notwendige Regelung. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise die Spannung des Zwischenkreisspeichers 20 gemessen. Alternativ kann der Zwischenkreisspeicher 20 auch mittels separater Ladeeinrichtung geladen werden. [0045] Ein einschränkendes Merkmal des Zwischenkreisspeichers 20 ist, dass man diesen nicht beliebig schnell laden kann, was vor allem für die Verwendung von Akkumulatoren im Zwischenkreisspeicher 20 gilt. D.h. die im beschriebenen Sonderfall anfallende Energie kann in ausreichendem Maße weder im Zwischenkreisspeicher 20 gespeichert, noch ins Netz abgegeben werden. [0046] Um hier Abhilfe zu schaffen, kann, wie Fig. 6 zeigt, eine elektrische Bremsschaltung 22 vorgesehen werden, welche die überschüssige Energie mittels sogenanntem Brems-Chopper 23 und ohmschen Bremswiderstand 24 in Wärme umsetzt. [0047] Der oben beschriebene erforderliche Wechsel zwischen Leistungsbezug und Leistungsabgabe des Differenzial-Antriebes 14 wird dann vom Zwischenkreisspeicher 20 und der elektrischen Bremsschaltung 22 gewährleistet. [0048] Wählt man die Betriebsspannung im Zwischenkreisspeicher 20, das ist der Spannungsbereich innerhalb dessen Grenzen der Zwischenkreisspeicher 20 arbeitet, kleiner als die Auslö-sespannung für die elektrische Bremsschaltung 22, und liegt die Betriebsspannung des Gleich-stromzwischenkreises 18 zwischen diesen beiden Spannungen, so kann der Differenzial-Antrieb bei z.B. einem LVRT -Ereignis automatisch in den Betriebszustand Leistungsbezug bzw. Leistungsabgabe übergehen, bzw. zwischen diesen beiden Betriebszuständen pendeln. [0049] Ein weiterer Vorteil dieser Kombination aus Zwischenkreisspeicher 20 und elektrischer Bremsschaltung 22 ist, dass der Zwischenkreisspeicher immer nur für das notwendige Liefervolumen ausgelegt werden muss, d.h. keine zusätzliche Kapazität für ein allfällig notwendiges zusätzliches Speichervolumen bereit gestellt werden muss. [0050] Ist die Anlage mit einer Sicherheitseinrichtung ausgestattet, bei der der Differenzial-Antrieb 14 zur Aufrechterhalten eines Drehmomentes des Differential-Antriebes gemäß Fig. 7 kurzschließbar ist, so können die in Fig. 7 gezeigten Widerstände 25, bei geeigneter Beschaltung, auch als ohmsche Widerstände für die elektrische Bremsschaltung 22 eingesetzt werden. Ansprüche 1. Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer mit einem Rotor (1) verbundenen Antriebswelle, einem Generator (8) und mit einem Differenzialgetriebe (11 bis 13) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator (8) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb (6, 14) verbunden ist, und wobei der Differenzial-Antrieb (6, 14) über einen Frequenzumrichter (7, 15) mit einem Gleichstromzwischenkreis (18) mit einem Netz (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (7, 15) einen zwischen die Fasen des Gleichstromzwischenkreises (18) geschalteten ohmschen Widerstand (24) aufweist. 5/9 österreichisches Patentamt AT 11 661 U1 2011-02-15
  2. 2. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand (24) parallel zu einem Brems-Chopper (23) geschaltet ist.
  3. 3. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (7, 15) im Gleichstromzwischenkreis (18) einen elektrischen Energiespeicher (20) aufweist.
  4. 4. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslösespannung des Brems-Choppers (23) höher als die Betriebsspannung des Energiespeichers (20) ist.
  5. 5. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung des Gleichstromzwischenkreises (18) zwischen der Auslösespannung des Brems-Choppers (23) und der Betriebsspannung des Energiespeichers (20) liegt.
  6. 6. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (20) parallel zum Gleichstromzwischenkreis (18) geschaltet ist.
  7. 7. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (20) wenigstens einen Kondensator (21) aufweist.
  8. 8. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (20) wenigstens einen Akkumulator aufweist.
  9. 9. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (20) vom Frequenzumrichter (15) ladbar ist.
  10. 10. Verfahren zum Betreiben einer Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einem Differenzialgetriebe (11 bis 13) mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb (6, 14) , wobei der Differenzial-Antrieb (6, 14) über einen Frequenzumrichter (7, 15) mit einem Gleichstromzwischenkreis (18) mit einem Netz (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle eines Spannungseinbruches oder Spannungsausfalles oder einer Überspannung des Netzes (10) im Gleichstromzwischenkreis (18) des Frequenzumrichters (7, 15) ein ohmscher Widerstand (24) zwischen die Fasen des Gleichstromzwischenkreises (18) geschaltet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6, 14) mit Hilfe eines elektrischen Energiespeichers (20) im Gleichstromzwischenkreis (18) des Frequenzumrichters (7, 15) im Falle eines Spannungseinbruches oder Spannungsausfalles oder einer Überspannung des Netzes (10) mit elektrischer Energie versorgt wird.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6, 14) im Falle eines Spannungseinbruches oder Spannungsausfalles oder einer Überspannung des Netzes (10) elektrische Energie in einen elektrischen Energiespeicher (20) im Gleichstromzwischenkreis (18) des Frequenzumrichters (7, 15) einspeist.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreisspeicher (20) entsprechend dem Betriebszustand der Windkraftanlage geladen wird.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand (24) über einen Brems-Chopper (23) zu- und weggeschaltet wird. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 6/9
AT0807210U 2009-09-10 2010-09-14 Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage und verfahren zum betreiben dieser AT11661U1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT0807210U AT11661U1 (de) 2009-09-10 2010-09-14 Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage und verfahren zum betreiben dieser

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT14292009 2009-09-10
AT0807210U AT11661U1 (de) 2009-09-10 2010-09-14 Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage und verfahren zum betreiben dieser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
AT11661U1 true AT11661U1 (de) 2011-02-15

Family

ID=43302327

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
AT0807210U AT11661U1 (de) 2009-09-10 2010-09-14 Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage und verfahren zum betreiben dieser

Country Status (1)

Country Link
AT (1) AT11661U1 (de)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2826121B1 (de) Verfahren zum steuern einer anordnung zum einspeisen elektrischen stroms in ein versorgungsnetz
AT508183B1 (de) Verfahren zum betreiben einer windkraftanlage
EP2872777B1 (de) Verfahren zum steuern eines elektrischen erzeugers
AT508182B1 (de) Verfahren zum betreiben einer energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage
EP2422419A1 (de) Drehzahlvariabel angetriebene elektrische energieerzeugungsanlage mit konstanter ausgangsfrequenz, insbesondere windkraftanlage
DE102011006670A1 (de) Windenergieanlage und Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
EP3440756B1 (de) Verfahren, windenergieanlage, und windpark mit mehreren widenergieanlagen zum einspeisen elektrischer leistung
DE10320087A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Windparks
DE102009017244A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage bei fehlender Verfügbarkeit eines externen Versorgungsnetzes und Windenergieanlage zur Ausführung des Verfahrens
DE102013102603A1 (de) Verfahren für einen Schwarzstart eines Kraftwerks mit mehreren einem Wechselstromnetz zuschaltbaren Wechselrichtern
WO2011000008A1 (de) Differenzialgetriebe für energiegewinnungsanlage und verfahren zum betreiben
EP3210276A1 (de) Verfahren zum betreiben eines inselnetzes
EP3408914B1 (de) Verfahren zum einspeisen elektrischer leistung in ein elektrisches versorgungsnetz
DE112010001340T5 (de) Mehrere Schaltkästen
EP3195442A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines neben einem netzbildner und mindestens einer last an ein begrenztes wechselstromnetz angeschlossenen kraftwerks fluktuierender leistungsfähigkeit
WO2014206894A2 (de) Kombinationskraftwerk
EP2284974A1 (de) Verfahren zum Betrieb bzw. Regelung einer Windenergieanlage sowie Verfahren zur Bereitstellung von Regelleistung mit Windenergieanlage
EP2713477B1 (de) Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung für einen Windpark
DE10044262A1 (de) Getriebelose Windkraftanlage mit Blattwinkelverstellung zur aktiven Schwingungsdämpfung im Antriebsstrang
WO2013132099A2 (de) Elektrische einheit für ein pumpspeicherkraftwerk
DE102009037523A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Windparks
EP3850719A1 (de) Windpark mit einer stabilisierungseinheit sowie eine solche stabilisierungseinheit
DE102012101928A1 (de) Leistungsmanagement zur dezentralen Stabilisierung eines Stromnetzes
DE102014104287A1 (de) Antriebsstrang einer Energiegewinnungsanlage und Verfahren zum Regeln
EP3751691B1 (de) Elektroenergiesystem

Legal Events

Date Code Title Description
MM01 Lapse because of not paying annual fees

Effective date: 20170930