DE102005052011A1

DE102005052011A1 - Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage und Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102005052011A1
Application number: DE102005052011A
Authority: DE
Inventors: Jakob Löwen
Original assignee: EOn Netz GmbH
Current assignee: EOn Energie AG
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage (W1, W2) mit einem von einem Rotor (3) antreibbaren elektrischen Generator, wobei der Generator zur Abgabe elektrischer Wirkleistung P an einem Netzanschlusspunkt (NP) mit einem Netz (N) verbunden ist und wobei das Netz (N) im störungsfreien Zustand in einem vorgegebenen, durch eine untere und eine obere Netzfrequenz begrenzten, Netzfrequenzband betrieben und die an das Netz (N) abzugebende Wirkleistung P bei einer Überschreitung eines Netzfrequenzgrenzwerts in Abhängigkeit einer momentanen Netzfrequenz f¶Netz¶ geregelt wird. Zur Erhöhung der Stabilität eines Netzes (N) bei Frequenzanstieg wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die an das Netz (N) abgegebene Wirkleistung P bei einer Überschreitung eines Netzfrequenzgrenzwerts von 50,2 Hz in Abhängigkeit einer momentanen Netzfrequenz f¶Netz¶ gemäß der folgenden Beziehung dynamisch geändert wird: DOLLAR A DELTAP = 20 P¶M¶ [(50,2 Hz - f¶Netz¶)]/50 Hz, DOLLAR A wobei DOLLAR A DELTAP die Verringerung der Wirkleistung P in %, DOLLAR A P¶M¶ die momentan an das Netz abgegebene Wirkleistung P und DOLLAR A f¶Netz¶ die momentane Netzfrequenz ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Windenergieanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Erzeugung und des Transports von elektrischem Strom. Zur Erzeugung elektrischen Stroms können mehrere Windenergieanlagen zu einem so genannten "Windpark" zusammengefasst und an einem gemeinsamen Netzanschlusspunkt mit einem Netz verbunden sein. Das Netz wird auf einer vorgegebenen Spannungsebene, z. B. 110 kV, 220 kV oder 380 kV, betrieben. Es kann über Transformatoren mit weiteren Netzen verbunden sein, welche auf einer anderen Spannungsebene betrieben werden. Ein solches Verbundnetz wird auf einer Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz gehalten.
Infolge von Störungen, beispielsweise Leitungsabschaltungen oder Teilnetzabtrennungen, kann es einer unerwünschten Änderung der Netzfrequenz kommen. Um dem entgegenzuwirken ist in den konventionellen Kraftwerken eine so genannte Primärregelreserve vorgesehen, mit der eine Frequenzabweichung von maximal 200 mHz mit einer Unempfindlichkeit von ≥ 10 mHz ausgeregelt werden kann. Die Primärregelreserve hat aber einen Nachteil, dass die Reaktionszeit der Regelung im Bereich von mehreren Sekunden liegt.

Zur Stabilisierung des Netzbetriebs bei unerwünschten Frequenzschwankungen ist es aus der DE 100 22 974 C2 bekannt, die von einem Generator einer Windenergieanlage in das Netz eingespeiste Leistung zu verringern, wenn die Netzfrequenz einen vorbestimmten Netzfrequenzwert von mehr als 3‰ über ih rem Sollwert übersteigt. Ferner wird dort vorgeschlagen, dass die Windenergieanlage keine elektrische Leistung an das Netz abgibt, wenn die Netzfrequenz ihren Sollwert um einen vorbestimmten Wert von 2 % des Sollwerts übersteigt. Zu diesem Zweck ist ein Frequenzumrichter vorgesehen, mit dem in Abhängigkeit der gemessenen Netzfrequenz ein Blindleistungsfaktor cosφ änderbar ist. Der Generator bleibt dabei physikalisch mit dem Netz verbunden. Das kann u. U. zu einer weiteren Destabilisierung des Netzes beitragen. Aus der DE 100 22 974 C2 sind keine Hinweise über das Regelverhalten des darin vorgeschlagenen Reglers zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine verbesserte Stabilität eines Netzes bei einem unzulässigen Frequenzanstieg gewährleistet werden kann. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Windenergieanlage bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 6 und 8 bis 12.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die ans Netz abgegebene Wirkleistung P bei einer Überschreitung eines Netzfrequenzgrenzwerts von 50,2 Hz in Abhängigkeit einer momentanen Netzfrequenz f_Netz gemäß der folgenden Beziehung dynamisch geändert wird: ΔP = 20 PM[(50,2 Hz – fNetz)]/50 Hz,wobei

ΔP: die Verringerung der Wirkleistung P in %,
P_M: die momentan ans Netz abgegebene Wirkleistung P und
f_Netz: die momentane Netzfrequenz ist.

Nach der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Beziehung wird eine momentan verfügbare Wirkleistung P ab einer Netzfrequenz von 50,2 Hz mit einem Gradienten von 40 % der momentan verfügbaren Wirkleistung P des Generators je Hz der Netzfrequenz abgesenkt. Unterschreitet die Netzfrequenz einen Wert von 50,2 Hz, so kann die Windenergieanlage uneingeschränkt Wirkleistung P an das Netz abgegeben. Damit wird einer Destabilisierung des Netzes infolge gefährlichen Frequenzanstieges über 200 mHz effektiv entgegengewirkt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Wirkleistung P lediglich im Bereich von 50,2 Hz ≤ f_Netz ≤ 51,5 Hz geändert bzw. geregelt. Außerhalb dieses Bereichs findet keine Regelung statt.

Vorteilhafterweise wird bei einer Unterschreitung der unteren und/oder einer Überschreitung der oberen Netzfrequenz der Generator automatisch vom Netz getrennt. Unter dem Begriff "Trennen" wird dabei eine physikalische Trennung verstanden. Damit kann es nicht dazu kommen, dass ein Generator physikalisch mit dem Netz verbunden ist, wenn die Netzfrequenz sich auf Werte ändert, welche außerhalb des Frequenzbands sich befinden. Es kann besonders wirkungsvoll einer Destabilisierung des Netzes bei unerwünschten Frequenzschwankungen entgegengewirkt werden.

Im Falle einer Netzfrequenz von 50 Hz kann die untere Netzfrequenz zweckmäßigerweise 47,5 Hz und die obere Netzfrequenz 51,5 Hz betragen. Die obere Netzfrequenz bildet vorteilhafterweise gleichzeitig die obere Grenze des Bereichs, in dem eine Regelung der Wirkleistung P vorgesehen ist. Dagegen ist in einem weiteren Bereich zwischen der unteren Netzfrequenz, hier 47,5 Hz, und der unteren Grenze des Bereichs, nämlich 50,2 Hz, die Abgabe der vollen Wirkleistung P möglich. Die vorgeschlagenen Grenzwerte ermöglichen einen besonders stabilen Netzbetrieb.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Änderung der Wirkleistung P durch eine Änderung des Anstellwinkels von Rotorblättern des Rotors zum Wind bewirkt wird. Zur Änderung der Wirkleistung P gemäß dem erfindungsgemäß vorgegebenen Gradienten kann auf eine herkömmliche Pitchregelung der Rotorblätter zurückgegriffen werden. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich in der Praxis ohne großen Aufwand umsetzen.

Mit Windenergieanlagen ist es im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken möglich, mit einer kurzen Reaktionszeit auf einen unerwünschten Anstieg der Netzfrequenz zu reagieren. Dabei kann die Wirkleistung P innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als 1 Sekunde geändert werden. Bei einem Frequenzanstieg über den Wert von 50,2 Hz wird im Netz bedingt durch die kurze Reaktionszeit der Windenergieanlagen zuerst die Wirkleistung P der Windenergieanlagen abgesenkt. Anschließend wird die Netzfrequenz dynamisch durch die Primärregelreserve der konventionellen Kraftwerke geregelt.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung ist bei einer Windenergieanlage, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, vorgesehen, dass mit der Einrichtung zur Regelung die Wirkleistung P bei einer Überschreitung eines Netzfrequenzgrenzwerts von 50,2 Hz gemäß der folgenden Beziehung dynamisch änderbar ist: ΔP = 20 PM[(50,2 Hz – fNetz)]/50 Hz,wobei

Wegen der weiteren erfindungsgemäß vorgeschlagenen Regelungs- und/oder Trennungsparameter wird auf die vorgenannten Ausführungen verwiesen. Die dort beschriebenen Merkmale sind sinngemäß auch auf die Einrichtung zur Regelung bei der vorgeschlagenen Windenergieanlage anwendbar.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Anschlussschema eines Windparks an das Netz und
2 die Abregelung der Wirkleistung P einer Windenergieanlage und die Verringerung der Wirkleistung P eines konventionellen Kraftwerks über der Zeit.
1 zeigt ein Anschlussschema für einen Anschluss mehrerer zu einem Windpark WP zusammengefasster Windenergieanlagen W1, W2 an ein Netz N. Das Netz N ist an einem Netzanschlusspunkt NP über einen ersten Leistungsschalter 1 mit einem Netzanschlusstransformator 2 des Windparks WP verbunden.
Jede der Windenergieanlagen W1, W2 weist einen Rotor 3 auf, welcher mit einem (hier nicht gezeigten) Generator verbunden ist. Ein Anstellwinkel der Rotorblätter des Rotors 3 gegenüber dem Wind ist zur Regelung der an das Netz N abgegebenen Wirkleistung P einstellbar. Dazu ist eine (hier nicht im Einzelnen dargestellte) Pitchregelung vorgesehen.
Der Generator ist über einen zweiten Leistungsschalter 4 mit einem nachgeschalteten Transformator 5 verbunden. Der Trans formator 5 ist wiederum mit dem Netzanschlusstransformator 2 unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer dritter Leistungsschalter 6 verbunden.
2 zeigt die Abregelung der Wirkleistung P einer Windenergieanlage und die Verringerung der Wirkleistung P eines konventionellen Kraftwerks K über der Zeit. In einem durch die unterbrochene Linie kenntlich gemachten Zeitpunkt t = 0 kommt es im Netz N zu einem gefährlichen Frequenzanstieg über einen Wert von 50,2 Hz, beispielsweise 50,7 Hz. Die Windenergieanlage W1, W2 regelt mit einer kurzen Reaktionszeit von weniger als 1 Sekunde durch eine Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter die ans Netz N abgegebene Wirkleistung P mit einem Gradienten von 40 % der momentanen Wirkleistung P pro Hertz herunter. Gleichzeitig wirkt die Primärregelreserve der konventionellen Kraftwerke K dem Anstieg der Netzfrequenz entgegen. Die Primärregelreserve spricht allerdings erst nach einer Reaktionszeit Δt von 5 bis 12 Sekunden, im gezeigten Beispiel von 6 Sekunden, an. Infolgedessen wird die von konventionellen Kraftwerken K abgegebene Wirkleistung P reduziert und damit die Netzfrequenz auf die Netznennfrequenz von 50 Hz regelt. Gleichzeitig steigt die von den Windenergieanlagen W1, W2 abgegebene Wirkleistung P wieder auf den Wert der ursprünglichen momentanen Wirkleistung P an.
Die Erhöhung der Wirkleistung P der Windenergieanlagen W1, W2 erfolgt wiederum durch eine Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter mit der bei Windenergieanlagen W1, W2 vorgesehenen Pitchregelung.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann einfach realisiert werden, indem die bei konventionellen Windenergieanlagen W1, W2 vorgesehene Pitchregelung mittels einer Frequenzmesseinrichtung gemäß der vorgeschlagenen Beziehung geregelt wird. Damit kann auf einfache und kostengünstige Weise schnell und effek tiv gefährlichen Frequenzanstiegen im Netz N entgegengewirkt werden. Die Netzstabilität kann damit erhöht werden.

1: erster Leistungsschalter
2: Netzanschlusstransformator
3: Rotor
4: zweiter Leistungsschalter
5: Transformator
6: dritter Leistungsschalter
K: Kraftwerk
N: Netz
NP: Netzanschlusspunkt
W1, W2: Windenergieanlage
WP: Windpark

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage (W1, W2), mit einem von einem Rotor (3) antreibbaren elektrischen Generator, wobei der Generator zur Abgabe elektrischer Wirkleistung P an einem Netzanschlusspunkt (NP) mit einem Netz (N) verbunden ist, und wobei das Netz (N) im störungsfreien Zustand in einem vorgegebenen, durch eine untere und eine obere Netzfrequenz begrenzten Netzfrequenzband betriebenen und die ans Netz (N) abgegebene Wirkleistung P bei einer Überschreitung eines Netzfrequenzgrenzwerts in Abhängigkeit einer momentanen Netzfrequenz f_Netz geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ans Netz (N) abgegebene Wirkleistung P bei einer Überschreitung eines Netzfrequenzgrenzwerts von 50,2 Hz in Abhängigkeit einer momentanen Netzfrequenz f_Netz gemäß der folgenden Beziehung dynamisch geändert wird: ΔP = 20 PM[(50,2 Hz – fNetz)]/50 Hz,wobei ΔP die Verringerung der Wirkleistung P in %, P_M die momentan ans Netz abgegebene Wirkleistung P und f_Netz die momentane Netzfrequenz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wirkleistung P im Bereich 50,2 Hz ≤ f_Netz ≤ 51,5 Hz geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer Unterschreitung der unteren und/oder einer Überschreitung der oberen Netzfrequenz der Generator automatisch vom Netz (N) getrennt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Netzfrequenz 47,5 Hz und die obere Netzfrequenz 51,5 Hz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Änderung der Wirkleistung P durch eine Änderung eines Anstellwinkels von Rotorblättern des Rotors (3) zum Wind bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wirkleistung P innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als 1 Sekunde geändert wird.
Windenergieanlage (W1, W2), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem von einem Rotor (3) antreibbaren elektrischen Generator, wobei der Generator zur Abgabe elektrischer Wirkleistung P an einem Netzanschlusspunkt (NP) mit einem Netz (N) verbunden ist, wobei das Netz (N) im störungsfreien Zustand in einem vorgegebenen, durch eine untere und eine obere Netzfrequenz begrenzten Netzfrequenzband betriebenen wird, und wobei eine Einrichtung zur Regelung der ans Netz (N) abgegebenen Wirkleistung P in Abhängigkeit einer momentanen Netzfrequenz f_Netz vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Einrichtung zur Regelung die Wirkleistung P bei einer Überschreitung eines Netzfrequenzgrenzwerts von 50,2 Hz gemäß der folgenden Beziehung dynamisch änderbar ist: ΔP = 20 PM[(50,2 Hz – fNetz)]/50 Hz, wobei ΔP die Verringerung der Wirkleistung P in %, P_M die momentan ans Netz abgegebene Wirkleistung P und f_Netz die momentane Netzfrequenz ist.
Windenergieanlage (W1, W2) nach Anspruch 7, wobei die Wirkleistung P im Bereich 50,2 Hz ≤ f_Netz ≤ 51,5 Hz geregelt wird.
Windenergieanlage (W1, W2) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei eine Einrichtung (1, 4, 6) zum automatischen Trennen des Generators vom Netz (N) bei einer Unterschreitung der unteren und/oder einer Überschreitung der oberen Netzfrequenz vorgesehen ist.
Windenergieanlage (W1, W2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die untere Netzfrequenz 47,5 Hz und die obere Netzfrequenz 51,5 Hz ist.
Windenergieanlage (W1, W2) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei zur Änderung der Wirkleistung P eine Einrichtung zur Änderung eines Anstellwinkels von Rotorblättern des Rotors (3) zum Wind vorgesehen ist.
Windenergieanlage (W1, W2) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Wirkleistung P mit der Einrichtung zur Regelung innerhalb einer Reaktionszeit von weniger als 1 Sekunde änderbar ist.