DE10022974C2 - Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage sowie Windenergieanlage - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage sowie Windenergieanlage

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wind­ energieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Bei schwachen elektrischen (Insel-)Netzen steigt die Netzfrequenz sehr schnell (schlagartig) an, wenn ein größerer Verbraucher vom elektrischen Netz getrennt wird. Die Antriebsmaschinen, wie z. B. Dieselmotoren, Was­ serräder usw. benötigen einige Zeit, um dann ihre (mechanische und elektri­ sche) Leistung zu reduzieren. Während dieser Zeit erzeugen diese Genera­ toren mehr Energie als vom elektrischen Netz entnommen wird. Diese Ener­ gie wird dann für die Beschleunigung der Generatoren verbraucht. Damit steigt die Drehzahl und somit auch die Netzfrequenz an.
Aus "Windkraftanlagen im Netzbetrieb", Dr.-Ing. Siegfried Heier, 1996, Seiten 310 bis 343, ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Windenergieanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3 bekannt. Dort wird vorgeschlagen, dass auf jedwede lastbedingte Verschiebung der Netzfrequenz durch eine entsprechende Leistungsänderung eines Kraft­ werks reagiert werden soll.
Dies ist auch aus "Elektrische Energieversorgung", Klaus Heuck/Klaus- Dieter Dettmann, 1984 (ISBN 3-528-08547-9), Seiten 25 bis 36, bekannt. Hierbei wird eine Kraftwerksregelung beschrieben, bei welcher auf jedwede Abweichung der Netzfrequenz von ihrem Sollwert durch einen Sekundärreg­ ler zeitlich verzögert durch eine entsprechende Ansteuerung einer Kraft­ werksturbine reagiert und damit die Frequenzabweichung minimiert wird.
Aus ETZ-A, Bd. 79, Heft 22, 1958, "Frequenz-Leistungs-Regelung im Ver­ bundnetz", Georg Boll, Seiten 894 bis 902, ist bekannt, die Frequenz eines Netzes, an welches ein Kraftwerk als Erzeuger angeschlossen ist, in einem Bereich zu halten, der mit Rücksicht auf die Abnehmer etwa ±0,1 Hz vom Sollwert betragen darf. Der Sollwert beträgt in einem europäischen Verbund­ netz 50 Hz.
Da viele elektrische Geräte, z. B. Computer, Elektromotoren und derglei­ chen, die an das elektrische Netz angeschlossen sind, jedoch nicht auf schwankende Netzfrequenzen bzw. deren schlagartige Änderungen ausge­ legt sind, kann dieses zu Schäden an elektrischen Maschinen bis zur Zerstö­ rung dieser Maschinen führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Regelung einer Windener­ gieanlage vorzuschlagen, welche einerseits netzstützend ist und anderer­ seits in der Windenergieanlage eine große Energieausbeute ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkma­ len nach Anspruch 1 sowie mit einer Windenergieanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, falls Windenergieanlagen an sol­ chen schwachen Netzen betrieben werden, deren (mechanische und) elektrische Leistung in Abhängigkeit der steigenden Netzfrequenz zu steu­ ern. Damit soll ein weiterer Anstieg der Netzfrequenz verhindert werden bzw. eine Reduktion der Netzfrequenz erreicht werden.
Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 ein Frequenz-/Leistungszeitdiagramm einer Windenergieanlage,
Fig. 2 Seitenansicht einer Windenergieanlage,
Fig. 3 ein Blockschaltdiagramm eines mit einem Mikroprozessor gesteu­ erten Wechselrichters einer Windenergieanlage,
Fig. 4 Darstellung einer Regelungseinrichtung einer Windkraftanlage,
Fig. 5 Darstellung einer Ankopplung einer Windenergieanlage an ein elektrisches Netz,
Fig. 6 Alternativdarstellung zu Fig. 3.
Fig. 1 zeigt die Anforderung an eine Windenergieanlage, ihre Ausgangs­ leistung P in Abhängigkeit der elektrischen Frequenz f des Netzes zu redu­ zieren. Der Wert von 100% stellt dabei die Sollfrequenz (50 Hz, 60 Hz) des elektrischen Netzes dar. Die Werte 100,6% bzw. 102% sind entsprechend höhere Werte der Netzfrequenz f.
Die elektrische Leistung der Windenergieanlage wird z. B. bei einem An­ stieg der Netzfrequenz um 0,6% (also auf 100,6%) noch nicht herunterge­ regelt. Steigt danach die Netzfrequenz noch weiter an, wird die elektrische Leistung der Windenergieanlage heruntergeregelt. Im gezeigten Beispiel wird die elektrische Leistung der Windenergieanlage bei einem Anstieg der Netzfrequenz auf 102% auf Null Leistung heruntergeregelt.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Windenergieanlage, die dieser Anforderung gerecht wird. Die Windenergieanlage hat verstellbare Rotorblätter (Pitch-Regelung der Rotorblätter), damit die mechanische Leistung der Windenergieanlage abgeregelt werden kann. Wird beispielsweise der Anstellwinkel der Rotorblätter zum Wind verstellt, kann auch die Kraft auf die Rotorblätter auf einen gewünschten Wert verringert werden. Der elektrische Wechselstrom des Generators (nicht dargestellt), welcher mit dem Rotor, der die Rotorblätter trägt, verbunden ist, wird mittels eines Gleichrichters 2 gleichgerichtet und mittels eines Kondensators 3 geglättet. Der Wechselrichter 4 formt die Gleichspannung dann in einen Wechselstrom um, der an das Netz L1, L2, L3 abgegeben wird. Die Frequenz dieses Ausgangsstroms wird vom Netz vorgegeben. Die Regelungseinrichtung 5, bestehend aus einem Mikroprozessor, misst die Netzfrequenz und steuert die Leistungsschaltung des Wechselrichters derart, dass die Ausgangsfrequenz der Netzspannung (Netzfrequenz) entspricht Steigt die Netzfrequenz - wie oben beschrieben - an, wird die elektrische Leistung - wie in Fig. 1 dargestellt - heruntergeregelt.
Fig. 6 veranschaulicht die erfindungsgemäße Regelungseinrichtung. Der schematisch dargestellte Rotor 4 der Windenergieanlage ist mit einem Ge­ nerator G gekoppelt, der eine elektrische Leistung bereitstellt, die von der Windgeschwindigkeit und somit der Windleistung abhängt. Die von dem Generator G erzeugte Wechselspannung wird mittels des Gleichrichters zunächst gleichgerichtet und anschließend in eine Wechselspannung um­ gewandelt, die eine der Netzfrequenz entsprechende Frequenz aufweist. Mit Hilfe des Netzfrequenzaufnehmers wird die Netzspannung am Netzein­ speisungspunkt des Netzes ermittelt. Sobald die Netzfrequenz einen vor­ bestimmten Wert - siehe Fig. 1 - übersteigt, wird die abgegebene elektri­ sche Leistung reduziert, um einem weiteren Ansteigen der Netzfrequenz entgegenzuwirken. Mit Hilfe der Regelungseinrichtung wird mithin die Netz­ frequenz des Netzes auf einen gewünschten Netzfrequenzwert eingeregelt, zumindestens wird ihr weiterer Anstieg vermieden.
Durch eine derartig geregelte Einspeisung der von der Windenergieanlage abgegeben Leistung können Netzfrequenzschwankungen vermieden bzw. erheblich reduziert werden.
Fig. 5 zeigt die Ankopplung einer Windenergieanlage an ein elektrisches Netz, wobei die von der Windenergieanlage erzeugte elektrische Leistung am Netzeinspeisungspunkt in das Netz abgegeben wird. Am elektrischen Netz hängen mehrere Verbraucher, im dargestellten Beispiel als Häuser skizziert.
Fig. 4 zeigt wesentliche Bestandteile der Steuer-Regelungseinrichtung in etwas anderer Darstellung als in Fig. 3. Die Steuer- und Regelungsanord­ nung weist einen Gleichrichter auf, in dem die in dem Generator erzeugte Wechselspannung gleichgerichtet wird. Ein mit dem Gleichrichter verbun­ dener Frequenzumrichter wandelt die zunächst im Zwischenkreis gleichge­ richtete Gleichspannung in eine Wechselspannung um, die als dreiphasige Wechselspannung über die Leitung L1, L2 und L3 in das Netz eingespeist wird. Der Frequenzumrichter wird mit Hilfe des Mikrocomputers, der Teil der gesamten Regelungseinrichtung ist, gesteuert. Hierzu ist der Mikropro­ zessor mit dem Frequenzumrichter gekoppelt. Als Eingangsgrößen für die Regelung der Spannung, mit der die von der Windenergieanlage 2 zur Ver­ fügung gestellte elektrische Leistung in das Netz eingespeist wird, sind die aktuelle Netzspannung, die Netzfrequenz f, die elektrische Leistung P des Generators, der Blindleistungsfaktor cosϕ sowie der Leistungsgradient dP/dt verwendet. In dem Mikroprozessor wird die erfindungsgemäße Rege­ lung der einzuspeisenden Spannung mit ihrer gewünschten Netzfrequenz verwirklicht.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Gene­ rator zum Abgeben elektrischer Leistung an ein elektrisches Netz, wobei die Windenergieanlage eine Rotor mit pitchgeregelten Rotorblättern auf­ weist, mittels deren Verstellung die Leistung der Windenergieanlage einge­ stellt wird und wobei die von dem Generator an das Netz abgegebene Leis­ tung in Abhängigkeit der Netzfrequenz des elektrischen Netzes eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Generator abgegebene, in das Netz eingespeiste Leistung verringert wird, wenn die Netzfrequenz des elektrischen Netzes einen vorbestimmten Netzfrequenzwert von mehr als 3‰ über ihrem Sollwert übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Generator abgegebene, in das Netz eingespeiste Leistung kontinuierlich, abhängig vom weiteren Anstieg der Netzfrequenz verringert wird (Fig. 1).
3. Windenergieanlage mit einem Rotor mit Rotorblättern mit Pitchrege­ lung und einem mit dem Rotor gekoppelten elektrischen Generator zum Abgeben elektrischer Leistung an eine elektrisches Netz, mit einer Rege­ lungseinrichtung mit einem Frequenzaufnehmer zum Messen oder Ermit­ teln der Frequenz der am Netz anliegenden elektrischen Spannung (Strom), wobei die von dem Generator an das Netz abgegebene elektri­ sche Leistung in Abhängigkeit der Netzfrequenz des elektrischen Netzes einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Generator abgegebene, in das Netz eingespeiste Leistung verringerbar ist, wenn die Netzfrequenz des elektrischen Netzes einen vorbestimmten Netzfrequenzwert von mehr als 3‰ über ihrem Sollwert übersteigt.
4. Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung einen Mikropro­ zessor aufweist.
5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage einen Wechselrich­ ter aufweist, der mit dem Mikroprozessor gekoppelt ist.
6. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage keine elektrische Leistung an das Netz abgibt, wenn die Netzfrequenz ihren Sollwert um einen vorbestimmten Wert, vorzugsweise 2% ihres Sollwertes, übersteigt.
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