DE102009037522A1 - Wind energy plant for use in wind farm, has rotor and transmission unit with torque converter, where electric generator is drivable by rotor over transmission unit - Google Patents

Abstract

The wind energy plant has a rotor and a transmission unit with a torque converter. An electric generator (3) is drivable by the rotor over the transmission unit. The generator is formed as synchronous generator on a stress level above 15 kilowatt. An independent claim is included for a wind farm.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Merkmalen. Außerdem betrifft die Erfindung einen Windpark mit wenigstens zwei solchen Windenergieanlagen.The The invention relates to a wind turbine with the in the preamble From claim 1 further defined features. Furthermore The invention relates to a wind farm with at least two such Wind turbines.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Windenergieanlagen bekannt. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem Windrad beziehungsweise einem Rotor, welcher typischerweise auf einer Säule azimut-drehbar gelagert ist und sich so in Richtung des anströmenden Windes drehen kann. Über eine Getriebeeinheit mit einem Drehmomentwandler kann die Rotationsenergie dann hinsichtlich Drehzahl und/oder Drehmoment angepasst an einen elektrischen Generator übertragen werden, welcher über den Rotor also mittelbar angetrieben wird. Der elektrische Generator erzeugt elektrische Leistung, welche typischerweise in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist wird, um so der allgemeinen elektrischen Stromversorgung zu dienen. Derartige Windenergieanlagen sind außerdem häufig in sogenannten Windparks zusammengefasst, in welchen mehrere derartige Windenergieanlagen über ein elektrisches Netz zusammengeschaltet sind und die von ihnen erzeugte Leistung dann gemeinsam in das elektrische Versorgungsnetz liefern. Ein solcher Windpark mit einzelnen Windenergieanlagen ist beispielsweise in der DE 10 2007 044 601 A1 unter dem Aspekt der Spannungsregelung des Betriebsverfahrens beschrieben.Wind energy plants are known from the general state of the art. These consist essentially of a wind turbine or a rotor, which is typically mounted on a column azimutely rotatable and can rotate in the direction of the oncoming wind. Via a gear unit with a torque converter, the rotational energy can then be transmitted in terms of speed and / or torque adapted to an electric generator, which is thus driven indirectly via the rotor. The electric generator generates electrical power, which is typically fed into an electrical utility grid so as to serve the general electrical power supply. Such wind turbines are also often summarized in so-called wind farms in which several such wind turbines are connected together via an electrical network and then deliver the power generated by them together in the electrical supply network. Such a wind farm with individual wind turbines is for example in the DE 10 2007 044 601 A1 described under the aspect of the voltage control of the operating method.

Das elektrische Versorgungsnetz ist dabei je nach Region und Ausbau typischerweise als Hochspannungsnetz, also auf einem Spannungsniveau von 110 kV, 220 kV oder 380 kV ausgebildet. Alternativ dazu wäre auch ein Mittelspannungsnetz denkbar, welches typischerweise in einer Größenordnung von 10 bis 60 kV angesiedelt ist. Mittelspannungsnetze werden typischerweise zur Versorgung im regionalen Bereich, beispielsweise innerhalb von Städten, eingesetzt. Mittelspannungsnetze sind üblicherweise auf der Basis von 10 kV und 20 kV angelegt. Außerdem ist es für Hochleistungsnetze im Mittelspannungsbereich auch üblich, diese auf einem Spannungsniveau von 34 kV auszubilden, um noch leistungsfähigere und verlustärmere Netzwerke über größere regionale Strecken aufbauen zu können. Da herkömmliche Schaltschütze und dergleichen typischerweise auf eine Spannung in der Größenordnung von bis zu 36 kV beschränkt sind, werden aus heutiger Sicht ein Mittelspannungsnetze typischerweise auf einem der drei Spannungsniveaus 10 kV, 20 kV oder 34 kV ausgebildet.The electrical supply network is depending on the region and expansion typically as a high voltage network, ie at a voltage level of 110 kV, 220 kV or 380 kV. Alternatively, it would be Also a medium voltage network conceivable, which typically in a magnitude of 10 to 60 kV settled is. Medium voltage networks are typically used for power supply regional area, for example within cities, used. Medium voltage networks are usually on the basis of 10 kV and 20 kV. Besides, it is also common for high-power networks in the medium voltage range, To train these at a voltage level of 34 kV to more powerful and lower-loss networks over larger ones to build regional routes. Because conventional Contactors and the like typically to a voltage limited in the order of up to 36 kV are, from today's perspective, typically a medium voltage grid formed on one of the three voltage levels 10 kV, 20 kV or 34 kV.

Nun ist es so, dass durch die Generatoren mit Frequenzumrichter im Allgemeinen Spannungen bereitgestellt werden, welche in der Größenordnung typischerweise unterhalb von 1 kV liegen. Typische Spannungen liegen häufig in der Größenordnung von 690 V. Jede der Windenergieanlagen gemäß dem Stand der Technik hat daher typischerweise einen Transformator, sodass im Bereich der Windenergieanlage die von ihrem Generator gelieferte Spannung auf ein entsprechendes Spannungsniveau, typischerweise ein Mittelspannungsniveau, hochgesetzt werden kann. Auf diesem Mittelspannungsniveau lässt sich die erzeugte Leistung der Windenergieanlage dann innerhalb eines Windparks leichter leiten, da mit kleineren Kabelquerschnitten Leitungen und/oder weniger Verlusten ein Transport der elektrischen Leistung über größere Strecken innerhalb des Windparks möglich ist. Auch bei einer direkten Netzanbindung, beispielsweise an ein elektrisches Versorgungsnetz auf Mittelspannungsniveau, ist ein Transformator notwendig, um die Spannung von der Niederspannungsebene der einzelnen Windenergieanlage auf das geforderte Spannungsniveau hochzusetzen. Diese Transformatoren haben dabei den Nachteil, dass sie vergleichsweise aufwendig und teuer sind und Leistungsverluste erzeugen. Außerdem weist jeder Transformator typischerweise einen elektrischen Leistungsverlust auf, welcher zwar für sich betrachtet eher gering ist, die Energieausbeute eines Windparks aufgrund der großen Anzahl an Transformatoren dennoch nachteilig beeinflusst.Now It is that by the generators with frequency converter in general Voltages are provided which are typically of the order of magnitude lie below 1 kV. Typical voltages are common in the order of 690 V. Each of the wind turbines according to the prior art is therefore typical a transformer so that in the area of the wind turbine the voltage supplied by its generator to a corresponding voltage level, typically a medium voltage level, can be boosted. At this medium voltage level, the generated Power of the wind turbine then easier within a wind farm lead, since with smaller cable cross-sections lines and / or less Losses over a transport of electric power longer distances within the wind farm possible is. Even with a direct network connection, for example to a electrical supply network on medium voltage level, is a transformer necessary to reduce the voltage from the low voltage level of each Raise the wind turbine to the required voltage level. These transformers have the disadvantage that they comparatively are complex and expensive and generate power losses. Furthermore Each transformer typically has an electrical power loss on, which is considered rather small, the energy yield of a wind farm due to the large Number of transformers still adversely affected.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Windenergieanlage anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet und kostengünstig eine elektrische Energieerzeugung mit bestmöglichem Wirkungsgrad erlaubt.The The object of the present invention is now a wind energy plant specify which avoids these disadvantages and cost a electrical energy generation with the best possible efficiency allowed.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dabei in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.According to the invention This object by the mentioned in the characterizing part of claim 1 Characteristics solved. Further advantageous embodiments of Invention are in the dependent claims specified.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Synchrongenerators auf einem Spannungsniveau von mehr als 15 kV, welcher direkt als Generator in der Windenergieanlage eingesetzt wird, kann die Windenergieanlage die Leistung auf einem Mittelspannungsniveau, also im Bereich von 10 bis 60 kV, oder einem Hochspannungsniveau erzeugen. Der Aufbau bietet daher den Vorteil, dass im Bereich jeder einzelnen Windenergieanlage auf einen Transformator verzichtet werden kann. Die Weiterleitung der erzeugten elektrischen Leistung kann durch das relativ hohe Spannungsniveau dennoch mit vergleichsweise kleinen Kabelquerschnitten und somit kostengünstigen Leitungen auch über größere Strecken hinweg mit minimalen Verlusten erfolgen.By the inventive use of a synchronous generator at a voltage level of more than 15 kV, directly as Generator is used in the wind turbine, the wind turbine the power at a medium voltage level, ie in the range of 10 to 60 kV, or generate a high voltage level. The structure therefore offers the advantage that in the area of each individual wind turbine can be dispensed with a transformer. The forwarding The electrical power generated by the relatively high Voltage level nevertheless with comparatively small cable cross sections and thus cost-effective lines also over longer distances with minimal losses respectively.

Durch den Einsatz eines Synchrongenerators auf einem Spannungsniveau über 15 kV wird so also ein Aufbau ermöglicht, welcher hinsichtlich der Leitungen und des Transformators Kosten einspart, und welcher darüber hinaus Leitungsverluste minimiert und Transformatorverluste eliminiert werden kann.Through the use of a synchronous generator at a voltage level above 15 kV so a structure is possible, which in terms of Lines and the transformer saves costs, and which also minimizes line losses and transformer losses can be eliminated.

Gemäß einer günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage ist es vorgesehen, dass der Synchrongenerator als selbsterregter Synchrongenerator ausgebildet ist. Ein solcher selbsterregter Synchrongenerator kann beispielsweise über ein Steuergerät und beispielsweise eine Erregermaschine oder Ähnliches in seiner Erregung beeinflusst werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, den Synchrongenerator auf dem Spannungsniveau über 15 kV hinsichtlich der von ihm erzeugten Blindleistung entsprechend zu steuern oder zu regeln. Für eine solche Blindleistungsregelung können dabei verschiedene Vorgaben des mit der Windenergieanlage gekoppelten elektrischen Netzes beziehungsweise elektrischen Versorgungsnetzes genutzt werden, beispielsweise die Vorgabe einer zu erzeugenden Blindleistung, eines zu erreichenden Spannungsniveaus oder eines vorgegebenen Verhältnis zwischen Blindleistung und Wirkleistung oder Ähnliches.According to one favorable development of the invention Wind turbine it is provided that the synchronous generator is designed as a self-excited synchronous generator. Such a self-excited Synchronous generator can for example via a control unit and, for example, an exciter machine or the like be influenced in his excitement. This results in the possibility of the Synchronous generator at the voltage level above 15 kV in terms of to control the reactive power generated by it accordingly or to regulate. For such a reactive power control can while different specifications of the coupled with the wind turbine electrical network or electrical supply network be used, for example, the specification of a to be generated Reactive power, a voltage level to be reached or a predetermined ratio between reactive power and active power or similar.

In einer entsprechend vorteilhaften Ausgestaltung hiervon ist ein Steuergerät vorgesehen, durch welches die Erregung des Synchrongenerators zur Variation der erzeugten Blindleistung, eines zu erreichenden Spannungsniveaus oder eines vorgegebenen Verhältnis zwischen Blindleistung und Wirkleistung änderbar ist. Dieses Steuergerät, welches im Bereich der Windenergieanlage angeordnet ist, kann so die Windenergieanlage unmittelbar beeinflussen und steuern.In a correspondingly advantageous embodiment thereof is a control unit provided by which the excitation of the synchronous generator for Variation of the generated reactive power, a voltage level to be achieved or a predetermined ratio between reactive power and active power is changeable. This controller, which is arranged in the area of the wind turbine can do so directly influence and control the wind energy plant.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage ist es außerdem vorgesehen, dass die Getriebeeinheit mit einem hydrodynamischen Drehmomentwandler versehen ist. Eine solche Getriebeeinheit ist dabei in der Lage, Schwankungen in Drehzahl und Drehmoment der Windturbine entsprechend auszugleichen und so für die Eingangswelle des Synchrongenerators auf dem Spannungsniveau über 15 kV vergleichsweise konstante Eingangsgrößen zu liefern. Beispielhaft soll hier auf eine entsprechende Getriebeeinheit verwiesen werden, wie sie im deutschen Patent DE 103 14 757 B3 beschrieben ist.In a further very favorable and advantageous development of the wind energy plant according to the invention, it is also provided that the gear unit is provided with a hydrodynamic torque converter. Such a gear unit is able to compensate for fluctuations in speed and torque of the wind turbine accordingly and thus to provide for the input shaft of the synchronous generator at the voltage level above 15 kV comparatively constant input variables. By way of example, reference is made here to a corresponding gear unit, as in the German patent DE 103 14 757 B3 is described.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Gedankens ist es vorgesehen, dass ein Windpark aufgebaut wird, welcher wenigstens zwei der erfindungsgemäßen Windenergieanlagen aufweist, wobei das elektrische Netz, in welches die Windenergieanlagen ihre erzeugte Leistung einspeisen, auf einem Spannungsniveau über 15 kV ausgebildet ist. Ein solcher Windpark kann, wenn er aus den erfindungsgemäßen Windenergieanlagen aufgebaut wird, dabei innerhalb des Windparks auf einem Spannungsniveau über 15 kV arbeiten, sodass die einzelnen Windenergieanlagen die von ihnen erzeugte elektrische Leistung unmittelbar auf dem hohen Spannungsniveau, ohne beispielsweise zwischengeschaltete Transformatoren oder dergleichen, liefern. Im Windenergiepark kann dann die gesammelte elektrische Leistung an ein elektrisches Versorgungsnetz abgegeben werden.In a particularly favorable and advantageous development of the inventive concept it is intended that a wind farm is built, which at least two of the invention Having wind turbines, wherein the electrical network, in which the wind turbines feed their generated power on one Voltage level is formed over 15 kV. Such a wind farm can if he from the wind turbines of the invention is built up within the wind farm at a voltage level 15 kV work, so that the individual wind turbines that of they generated electric power directly at the high voltage level, without For example, intermediate transformers or the like, deliver. In the wind energy park can then collect the electrical Power to be delivered to an electrical supply network.

Dieses kann einerseits ebenfalls auf dem Spannungsniveau des Windparks liegen, sodass eine Änderung des Spannungsniveaus bei der Übergabe nicht notwendig ist. Andererseits ist es gemäß einer entsprechenden Weiterbildung auch denkbar, dass das elektrische Versorgungsnetz auf einem höheren Hochspannungsniveau, beispielsweise bei 110 kV, 220 kV oder 380 kV liegt. Dann wäre für den Windpark ein einziger Transformator zum Hochsetzen der aus dem Windpark kommenden Leistung auf einem Spannungsniveau von beispielsweise 34 kV auf das geforderte Hochspannungsniveau von beispielsweise 110 kV notwendig. Auch hier liegt der Vorteil des Windparks weiterhin darin, dass lediglich ein Transformator für den gesamten Windpark notwendig ist, und dass nicht jede einzelne Windenergieanlage des Windparks mit einem Transformator versehen sein muss.This On the one hand, it can also be at the voltage level of the wind farm lie, so that a change in the voltage level at the transfer is not necessary. On the other hand, it is according to one appropriate training also conceivable that the electric Supply network at a higher high voltage level, for example, at 110 kV, 220 kV or 380 kV. Then it would be for the wind farm a single transformer to raise the power coming out of the wind farm at a voltage level from, for example, 34 kV to the required high voltage level of for example 110 kV necessary. Again, there is the advantage the wind farm continues to be that just a transformer is necessary for the entire wind farm, and that is not Each wind turbine of the wind farm is equipped with a transformer have to be.

In einer entsprechend günstigen Ausgestaltung des Windparks ist es ferner vorgesehen, dass der Windpark eine Windpark-Steuerungseinheit aufweist, welcher dem Steuergerät in jeder der Windenergieanlagen Werte vorgibt. Diese Werte können beispielsweise Anforderungen des Betreibers des elektrischen Versorgungsnetzes hinsichtlich der aktuell einzuspeisenden Leistung und/oder der damit verbundenen Blindleistung, eines zu erreichenden Spannungsniveaus oder eines vorgegebenen Verhältnis zwischen Blindleistung und Wirkleistung sein. Durch eine entsprechende Kommunikation der Windpark-Steuerungseinheit beziehungsweise des Windpark-Controllers mit den Steuergeräten der einzelnen Windenergieanlagen wird so eine sehr schnelle und effektive Regelung für den gesamten Windpark und damit für die an ein elektrisches Versorgungsnetz abgegebene Leistung mit den geforderten Parametern des Netzbetreibers gewährleistet. Damit ist eine hohe Qualität des aus dem Windpark in das elektrische Versorgungsnetz eingespeisten Leistung entsprechend den Anforderungen des Netzbetreibers möglich.In a correspondingly favorable embodiment of the wind farm it is further provided that the wind farm is a wind farm control unit which is the controller in each of the wind turbines Specifies values. For example, these values can be requirements the operator of the electrical supply network in terms of current power to be fed in and / or the associated power Reactive power, a voltage level to be reached or a predetermined ratio between reactive power and active power be. Through an appropriate communication of the wind farm control unit or the wind farm controller with the control units The individual wind turbines will be very fast and effective Regulation for the entire wind farm and thus for the power supplied to an electrical supply network guaranteed the required parameters of the network operator. This is a high quality of the wind farm in the electrical supply network fed power accordingly the requirements of the network operator possible.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Windenergieanlage und/oder des aus derartigen Windenergieanlagen aufgebauten Windparks ergeben sich dabei aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.Further advantageous embodiments of the wind turbine according to the invention and / or built of such wind turbines wind farm arise from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which below un ter reference to the figures will be explained in more detail.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 einen Antriebsstrang mit einer Getriebeeinheit mit einem Drehmomentwandler; 1 a drive train with a transmission unit with a torque converter;

2 eine Windenergieanlage gemäß der Erfindung; und 2 a wind turbine according to the invention; and

3 einen Windpark gemäß der Erfindung. 3 a wind farm according to the invention.

Für eine Windenergieanlage 1, wie sie als Ganzes in 2 dargestellt ist, sind hinsichtlich ihres Antriebsstrangs 2 folgende Regelungsaufgaben beziehungsweise Betriebszustände in Abhängigkeit des Windes in Betracht zu ziehen:

• • An- und Abschaltung,
• • Bremsen der Rotoren
• • Betrieb mit wechselnden Windgeschwindigkeiten und
• • Betrieb mit konstanten Windgeschwindigkeiten um einen optimalen Betriebspunkt.

For a wind turbine 1 as they are whole in 2 are in terms of their powertrain 2 consider the following control tasks or operating conditions depending on the wind:

• • switching on and off,
• • Braking the rotors
• • Operation with changing wind speeds and
• • Operation with constant wind speeds around an optimal operating point.

Eine drehzahlvariable Windenergieanlage 1 kann vorteilhafterweise mit einem Antriebsstrang 2 zum Übertragen einer variablen Leistung mit einer variablen Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl, die wiederum auf einen Generator 3 übertragen wird, ausgebildet sein. 1 zeigt hierzu in schematisch vereinfachter Art und Weise einen solchen Antriebsstrang 2. Dieser umfasst einen Rotor 1, ein Hochsetzgetriebe 18, welches die vergleichsweise niedrige Drehzahl des Rotors 1 auf eine deutlich höhere Drehzahl erhöht, beispielsweise um einen Faktor in der Größenordnung von 30. Außerdem umfasst der Antriebsstrang 2 ein Überlagerungsgetriebe 5 zur Leistungsverzweigung, beispielsweise bestehend aus einem Untersetzungsgetriebe 6, einem Planetengetriebe 7, sowie als weitere Komponenten einen hydrodynamischen Kreislauf 8. Der hydrodynamische Kreislauf 8 zweigt Leistung aus dem Hauptstrang ab beziehungsweise überträgt diese rückwirkend auf das Überlagerungsgetriebe 5. Auch ist es denkbar, den Antriebsstrang 2 so zu konstruieren, dass man vom Überlagerungsgetriebe 5 über den hydrodynamischen Kreislauf 8 auf den Hauptstrang die Teilleistung einleitet. Hierbei ist es möglich, als hydrodynamischen Kreislauf 8 einen hydrodynamischen Wandler, eine hydrodynamische Kupplung oder einen Trilokwandler einzusetzen. Generell wird als hydrodynamischer Kreislauf 8 ein solcher verwendet, der zumindest im gewissen Grade in seiner Leistungsaufnahme und seiner Leistungsabgabe regelbar ist. Für den Einsatz in Windenergieanlagen 1 ist die Regelbarkeit dieses hydrodynamischen Kreislaufs 8 von Bedeutung.A variable speed wind turbine 1 can advantageously with a drive train 2 for transmitting a variable power having a variable input speed and a constant output speed, which in turn is applied to a generator 3 is transmitted, be formed. 1 shows this in a schematically simplified manner such a drive train 2 , This includes a rotor 1 , a gearbox 18 , which is the comparatively low speed of the rotor 1 increased to a significantly higher speed, for example, by a factor of the order of 30. In addition, includes the powertrain 2 a superposition gearbox 5 for power split, for example consisting of a reduction gear 6 , a planetary gear 7 , as well as other components a hydrodynamic cycle 8th , The hydrodynamic cycle 8th Diverts power from the main line or transfers this retroactively to the superposition gearbox 5 , Also, it is conceivable the powertrain 2 to construct so that one of the superposition gearbox 5 over the hydrodynamic cycle 8th on the main line initiates the partial performance. It is possible as a hydrodynamic cycle 8th to use a hydrodynamic converter, a hydrodynamic coupling or a triloc converter. Generally, as a hydrodynamic cycle 8th a used, which is at least to some extent adjustable in its power consumption and its power output. For use in wind turbines 1 is the controllability of this hydrodynamic cycle 8th significant.

Kennzeichnend für einen hydrodynamischen Kreislauf 8 in dem Antriebsstrang 2 ist, dass dieser – zumindest in gewissem Maße – eine in etwa vergleichbare Reaktivität aufweist, wie der Rotor 1, welche aus einer internen parabolischen Kennlinie ähnlich der Kennlinie des Rotors 1 herrührt. Dabei wird ein gleichartiges Verhalten des Verteilergetriebes zum Rotor 1 für ein vorteilhaftes Regelungsverhalten ausgenutzt, welche aus der Charakteristik des hydrodynamischen Kreislaufs 8 als Strömungsmaschine resultiert. Insbesondere im Teillastbereich und bei kurzzeitigen Schwankungen im System können durch das erfindungsgemäße System somit sehr zeitnah sehr gut ausgeregelt werden, was aus regelungstechnischer Sicht einen wesentlichen Vorteil bei der Konstanthaltung der Abtriebsdrehzahl des Antriebsstrangs 2 und damit der Antriebsdrehzahl des Generators 3 darstellt.Characteristic of a hydrodynamic cycle 8th in the drive train 2 is that this - at least to some extent - has a similar reactivity, as the rotor 1 , which from an internal parabolic characteristic similar to the characteristic of the rotor 1 arises. In this case, a similar behavior of the transfer case to the rotor 1 exploited for an advantageous control behavior, which from the characteristic of the hydrodynamic cycle 8th as turbomachine results. In particular, in the partial load range and short-term fluctuations in the system can be very well adjusted very promptly by the system according to the invention, which from a control point of view, a significant advantage in keeping constant the output speed of the drive train 2 and thus the drive speed of the generator 3 represents.

Im Weiteren wird hinsichtlich des Antriebsstrangs 2 auf die detaillierte Darstellung eines solchen Antriebsstrangs 2 in Verwendung mit einem Asynchrongenerator in DE 103 14 757 B3 verwiesen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Generator 3 bei der Windenergieanlage 1 gemäß der Erfindung dabei als Synchrongenerator 3, insbesondere als Hochspannungs-Synchrongenerator 3 ausgebildet. Dieser Hochspannungs-Synchrongenerator weist dabei ein Spannungsniveau von mehr als 15 kV auf. Das im Nachfolgenden näher beschriebene Ausführungsbeispiel geht von einem Hochspannungs-Synchrongenerator 3 aus, welcher auf einem Spannungsniveau von 34 kV angesiedelt ist.Further, regarding the powertrain 2 on the detailed presentation of such a powertrain 2 in use with an asynchronous generator in DE 103 14 757 B3 directed. In contrast to the prior art is the generator 3 at the wind turbine 1 according to the invention as a synchronous generator 3 , in particular as a high-voltage synchronous generator 3 educated. This high-voltage synchronous generator has a voltage level of more than 15 kV. The embodiment described in more detail below is based on a high-voltage synchronous generator 3 out, which is located at a voltage level of 34 kV.

Wie nun in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, weist die Windenergieanlage 1 den Rotor 4 auf, welcher über eine nicht näher bezeichnete Welle mit dem Antriebsstrang 2 verbunden ist. Der Antriebsstrang 2 kann dabei insbesondere der in 1 beschriebene Antriebsstrang sein. Prinzipiell sind auch andere Antriebsstränge denkbar, sofern diese eine Getriebeeinheit mit einer Möglichkeit zur Drehmomentwandlung, beispielsweise hydrostatisch, hydrodynamisch oder auch elektromechanisch aufweisen. Über den Antriebsstrang 2 wird dann der 34 kV Generator 3 angetrieben, welcher die von ihm erzeugte elektrische Leistung über eine Leitung 9 in ein später noch näher beschriebenes elektrisches Netz 10 liefert. Der Antriebsstrang 2 sowie der Generator 3 sind dabei zusammen mit einem Steuergerät 11, welches wie durch die gestrichelten Pfeile dargestellt zumindest den Generator 3, insbesondere jedoch auch den Antriebsstrang 2 und eine Blattverstellung im Rotor 4 ansteuert, ausgerüstet. All dies befindet sich in einer sogenannten Kanzel 12, welche samt Rotor 4 azimutal-drehbar auf einem Mast 13 angeordnet ist. Die Windenergieanlage 1 kann dann zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden, beispielsweise in dem der in 2 nur teilweise angedeutete Mast 13 ortsfest auf dem Land oder Offshore verankert wird.As in the presentation of the 2 can be seen, points the wind turbine 1 the rotor 4 on, which via an unspecified wave with the drive train 2 connected is. The powertrain 2 can in particular the in 1 be described drive train. In principle, other drive trains are conceivable, provided that they have a transmission unit with a possibility for torque conversion, for example, hydrostatic, hydrodynamic or electromechanical. About the powertrain 2 then becomes the 34 kV generator 3 which drives the electric power generated by it via a line 9 in a later described in detail electrical network 10 supplies. The powertrain 2 as well as the generator 3 are there together with a control unit 11 which, as shown by the dashed arrows, at least the generator 3 , but especially the powertrain 2 and a blade adjustment in the rotor 4 drives, equipped. All of this is in a so-called pulpit 12 , which includes the rotor 4 azimuthal-rotatable on a mast 13 is arranged. The wind turbine 1 can then be used to generate electrical energy, for example in which the in 2 only partly indicated mast 13 anchored in the countryside or offshore.

Die Windenergie der Anlage 1, wie sie in 2 dargestellt ist, hat mit dem 34 kV Generator 3 nun den entscheidenden Vorteil, dass die von ihr erzeugte Leistung auf einem vergleichsweise hohen Spannungsniveau bereitgestellt wird. Dementsprechend niedrig ist die Stromstärke. Die Leitung 9 kann daher über vergleichsweise große Strecken bei vergleichsweise kleinem Leitungsquerschnitt geleitet werden. Damit lassen sich Leistungsverluste bei der Weiterleitung der elektrischen Leistung minimieren und außerdem kann durch die vergleichsweise geringen Leitungsquerschnitte eine Ersparnis bei den Kosten für die Leitungen erzielt werden. Anders als im Stand der Technik sind außerdem keine Transformatoren notwendig, um die Windenergieanlagen 1 beispielsweise in ein elektrisches Netz 10 auf einem Spannungsniveau von 34 kV einzubinden. Auch hier lassen sich Leistungsverluste durch die Transformatoren sowie erhebliche Kosten hinsichtlich der Transformatoren selbst einsparen.The wind energy of the plant 1 as they are in 2 shown has with the 34 kV generator 3 now the decisive advantage that the power generated by it is provided at a relatively high voltage level. Accordingly, the current is low. The administration 9 Therefore, it can be routed over comparatively large distances with a comparatively small cable cross-section. This can minimize power losses in the forwarding of electrical power and also can be achieved by the comparatively small cable cross-sections, a savings in the cost of the lines. In addition, unlike the prior art, no transformers are needed to power the wind turbines 1 for example, in an electrical network 10 to be integrated at a voltage level of 34 kV. Here, too, power losses due to the transformers and considerable costs with regard to the transformers themselves can be saved.

Die elektrische Leistung in dem elektrischen Netz 10 kann nun unmittelbar an ein hier nur prinzipmäßig angedeutetes elektrisches Versorgungsnetz 14 abgegeben werden, wenn dieses auf demselben Spannungsniveau liegt, wie das elektrische Netz 10. Die Windenergieanlage 1 kann also in einer ersten Ausführungsform unmittelbar an ein Mittelspannungsnetz auf dem mit dem Hochspannungs-Synchrongenerator 3 harmonierenden Spannungsniveau angekoppelt werden.The electrical power in the electrical network 10 can now directly to a here indicated only in principle electrical supply network 14 delivered when it is at the same voltage level as the electrical network 10 , The wind turbine 1 Thus, in a first embodiment, directly to a medium-voltage network on the with the high-voltage synchronous generator 3 harmonious voltage level are coupled.

Typischerweise werden Windenergieanlagen 1 nun nicht alleine und autark betrieben, sondern in Windparks 15, wie dies in 3 beispielhaft dargestellt ist, zusammengefasst. Solche Windparks 15, von welchen der beispielhaft in 3 dargestellte Windpark 15 fünfzehn Windenergieanlagen 1 umfasst, können beispielsweise auf Land oder Offshore installiert werden. Sie können je nach Umfang aus einer sehr viel kleineren Anzahl an Windenergieanlagen 1, als in 3 dargestellt, bestehen. Prinzipiell ist es natürlich auch denkbar und in der Praxis durchaus üblich, dass eine weitaus größere Anzahl von Windenergieanlagen 1 zu einem Windpark 15 zusammengefasst wird. Jede der Windenergieanlagen 1 liefert über die elektrische Leitung 9 die von ihr erzeugte elektrische Leistung aus dem 34 kV Generator 3 in das elektrische Netz 10, welches hier mit drei einzelnen Strängen für eine Gruppe von jeweils fünf Windenergieanlagen 1 beispielhaft dargestellt ist. Das elektrische Netz 10 arbeitet dabei, wie oben erläutert, ebenfalls auf einem Spannungsniveau von 34 kV. Das elektrische Netz 10 kann nun unmittelbar mit einem elektrischen Versorgungsnetz 14 gekoppelt werden, wenn dieses beispielsweise ebenfalls als Mittelspannungsnetz auf der von den Generatoren 3 gelieferten Spannungsebene ausgebildet ist. Bei großen Windparks 15 erfolgt die Einspeisung der erzeugten elektrischen Leistung jedoch typischerweise in Verteilungsnetze, welche als Hochspannungsnetze, beispielsweise als 110 kV Netze oder als 220 kV Netze zur regionalen Stromversorgung ausgebildet sind. Prinzipiell ist auch die Einspeisung in ein 380 kV Netz für den Transport der elektrischen Leistung über weite Strecken denkbar. In der Darstellung der 3 soll das elektrische Versorgungsnetz 14 beispielsweise ein elektrisches Versorgungsnetz 14 auf einem Spannungsniveau von 110 kV sein. Um die Spannung von 34 kV im elektrischen Netz 10 des Windparks 15 entsprechend auf die 110 kV des elektrischen Versorgungsnetzes 14 hochzusetzen, ist daher ein Transformator 16 vorgesehen. Anders als bei Windparks 15 gemäß dem Stand der Technik, welche, wie erwähnt, neben dem Transformator 16 und noch jeweils einen Transformator für jede Windenergieanlage 1 aufweisen, reicht hier jedoch ein einziger Transformator 16 zur Umsetzung des Spannungsniveaus vom Spannungsniveau des elektrischen Netzes 10 des Windparks auf das Spannungsniveau des elektrischen Versorgungsnetzwerks, in welches der Windpark 15 einspeist, aus, sofern die Spannungen auf unterschiedlichen Niveaus liegen.Typically, wind turbines 1 not alone and self-sufficient, but in wind farms 15 like this in 3 exemplified, summarized. Such wind farms 15 of which the example in 3 illustrated wind farm 15 fifteen wind turbines 1 may be installed on land or offshore, for example. Depending on their size, they can be made from a much smaller number of wind turbines 1 , as in 3 represented exist. In principle, it is also conceivable and quite common in practice, that a much larger number of wind turbines 1 to a wind farm 15 is summarized. Each of the wind turbines 1 supplies via the electrical line 9 the electric power generated by it from the 34 kV generator 3 into the electrical network 10 , which here with three separate strands for a group of five wind turbines 1 is shown by way of example. The electrical network 10 works, as explained above, also at a voltage level of 34 kV. The electrical network 10 can now directly with an electrical supply network 14 be coupled, if this example, also as a medium voltage network on the of the generators 3 delivered voltage level is formed. For large wind farms 15 However, the feeding of the electrical power generated is typically in distribution networks, which are designed as high voltage networks, such as 110 kV networks or as 220 kV networks for regional power supply. In principle, feeding into a 380 kV grid is also conceivable for the transport of electrical power over long distances. In the presentation of the 3 should the electrical supply network 14 for example, an electrical supply network 14 be at a voltage level of 110 kV. To the voltage of 34 kV in the electrical network 10 of the wind farm 15 corresponding to the 110 kV of the electrical supply network 14 It is therefore a transformer 16 intended. Unlike wind farms 15 according to the prior art, which, as mentioned, next to the transformer 16 and one more transformer for each wind turbine 1 However, here is enough a single transformer 16 to implement the voltage level from the voltage level of the electrical network 10 of the wind farm to the voltage level of the electrical supply network into which the wind farm 15 feeds, if the voltages are at different levels.

Der Windpark 15 weist nun außerdem eine Windpark-Steuerungseinheit 17 beziehungsweise einen Windpark-Controller auf. Dieser Windpark-Controller 17 kann nun, wie durch die Leitung 18 angedeutet, Betreiber des elektrischen Versorgungsnetzes 14 entsprechende Anforderungen erhalten. Diese Anforderungen werden typischerweise die einzuspeisende Wirkleistung und die einzuspeisende Blindleistung, eines zu erreichenden Spannungsniveaus oder eines vorgegeben Verhältnis zwischen Blindleistung und Wirkleistung umfassen. Die Anforderungen hinsichtlich der einzuspeisenden Blindleistung können dabei in einer direkten Blindleistungsanforderung, also der quantitativen Angabe wie viel Blindleistung an der Übergabestelle zum elektrischen Versorgungsnetz 14 benötigt wird, bestehen. Sie können aber auch aus einem eines vorgegeben Verhältnis zwischen Blindleistung und Wirkleistung oder einer in Abhängigkeit der Blindleistung gegebenen Spannungsvorgabe bestehen. Der Windpark-Controller 17 ist bei dem erfindungsgemäßen Windpark 15 nun in der Lage, mit den einzelnen Steuergeräten 12 der einzelnen Windenergieanlagen 1 zu kommunizieren, um so die Windenergieanlage 1 entsprechend zu beeinflussen.The wind farm 15 now also has a wind farm control unit 17 or a wind farm controller. This wind farm controller 17 can now, as through the line 18 indicated, operator of the electrical supply network 14 received corresponding requirements. These requirements will typically include the active power to be injected and the reactive power to be injected, a voltage level to be achieved, or a predetermined ratio between reactive power and active power. The requirements with regard to the reactive power to be fed in can be a direct reactive power requirement, ie the quantitative indication of how much reactive power at the transfer point to the electrical supply network 14 is needed exist. However, they can also consist of a given ratio between reactive power and active power or a voltage specified as a function of the reactive power. The wind farm controller 17 is in the wind park according to the invention 15 now able to with the individual control units 12 the individual wind turbines 1 to communicate so the wind turbine 1 to influence accordingly.

Dies kann insbesondere bei einer Anforderung an Blindleistung dadurch erfolgen, dass über das Steuergerät 12 eine stellbare Erregung des 34 kV Synchrongenerators entsprechend variiert wird, sodass dieser die geforderte Menge an Blindleistung abgibt. Dabei ist es möglich zur Erzeugung einer geforderten Blindleistungsmenge beispielhaft eine der Windenergieanlagen 1 oder eine Gruppe der Windenergieanlagen 1 unabhängig beziehungsweise anders als die anderen Windenergieanlagen 1 des Windparks 1 anzusteuern.This can be done in particular by a request for reactive power that via the control unit 12 an adjustable excitation of the 34 kV synchronous generator is varied accordingly so that it outputs the required amount of reactive power. It is possible to generate a required amount of reactive power example of one of the wind turbines 1 or a group of wind turbines 1 independent or different than the other wind turbines 1 of wind farms 1 head for.

Der Aufbau der Windenergieanlagen 1 in dem Windpark 15 mit einer Getriebeeinheit mit Drehmomentwandler, welche insbesondere der Antriebsstrang 2 in der Darstellung der 1 sein kann und einem Hochspannungs-Synchrongenerator 3 mit ansteuerbarer stellbarer Erregung erlaubt es damit, energieeffizient elektrische Leistung in einem Windpark 15 zu erzeugen und diese unter Einhaltung der Anforderungen eines Versorgungsnetzbetreibers in das Versorgungsnetz 14 zu liefern.The construction of wind turbines 1 in the wind park 15 with a gear unit with torque converter, which in particular the drive train 2 in the presentation of the 1 can be and a high voltage synchronous generator 3 with controllable adjustable excitation thus allows energy efficient electric power in a wind farm 15 and to produce these in compliance with the requirements of a grid operator in the supply network 14 to deliver.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• - DE 102007044601 A1 [0002] - DE 102007044601 A1 [0002]
• - DE 10314757 B3 [0011, 0023] - DE 10314757 B3 [0011, 0023]

Claims (14)

Windenergieanlage, mit 1.1 einem Rotor, 1.2 einer Getriebeeinheit mit einem Drehmomentwandler, und 1.3 einem elektrischen Generator, welcher von dem Rotor über die Getriebeeinheit antreibbar ist, und welcher seine erzeugte Leistung in ein elektrisches Netz abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 der Generator als Synchrongenerator (3) auf einem Spannungsniveau oberhalb 15 kV ausgebildet ist.Wind turbine with 1.1 a rotor, 1.2 a gear unit with a torque converter, and 1.3 an electric generator which is driven by the rotor via the gear unit, and which outputs its generated power in an electrical network, characterized in that 1.4 the generator as a synchronous generator ( 3 ) is formed at a voltage level above 15 kV. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator als Synchrongenerator (3) auf einem Mittelspannungsniveau von unterhalb von 60 kV, bevorzugt unterhalb von 36 kV, ausgebildet ist.Wind energy plant according to claim 1, characterized in that the generator as a synchronous generator ( 3 ) is formed at a medium voltage level of below 60 kV, preferably below 36 kV. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchrongenerator (3) als selbsterregter Synchrongenerator ausgebildet ist.Wind energy plant according to claim 1 or 2, characterized in that the synchronous generator ( 3 ) is designed as a self-excited synchronous generator. Windenergieanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (11) vorgesehen ist, durch welches die Erregung des Synchrongenerators (3) zur Variation der erzeugten Wirkleistung, der erzeugten Blindleistung, eines zu erreichenden Spannungsniveaus und/oder eines vorgegebenen Verhältnis zwischen Blindleistung und Wirkleistung veränderbar ist.Wind energy plant according to claim 3, characterized in that a control device ( 11 ) is provided, by which the excitation of the synchronous generator ( 3 ) is variable for varying the active power generated, the reactive power generated, a voltage level to be achieved and / or a predetermined ratio between reactive power and active power. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinheit (Antriebsstrang 2) wenigstens ein hydrodynamisches Bauteil (8) aufweist.Wind energy plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transmission unit (drive train 2 ) at least one hydrodynamic component ( 8th ) having. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeinheit (3) mit 6.1 einem Leistungsverzweigungsgetriebe, und 6.2 einer Einrichtung (Übertragungsgetriebe 5) zur Aufteilung der vom Leistungsverzweigungsgetriebe abgegebenen Leistung auf einen zwischen den Komponenten des Leistungsverzweigungsgetriebes und dem elektrischen Generator (3) angeordneten hydrodynamischen Kreislauf (8), welcher wenigstens ein hydrodynamisches Bauteil umfasst, mit gleichzeitiger Leistungseinwirkung auf das Leistungsverzweigungsgetriebe und den Generator (3) im wählbaren Verhältnis derart, dass ein Pumpenrad des wenigstens einen hydrodynamischen Bauteils auf der schnell umlaufenden Welle des Leistungsverzweigungsgetriebes angeordnet ist, und dass diese schnell umlaufende Welle die Eingangswelle des Generators (3) bildet.Wind energy plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the transmission unit ( 3 ) with 6.1 a power split transmission, and 6.2 a device (transmission gear 5 ) for dividing the output from the power split transmission power to one between the components of the power split transmission and the electric generator ( 3 ) arranged hydrodynamic circuit ( 8th ), which comprises at least one hydrodynamic component, with simultaneous power action on the power split transmission and the generator ( 3 ) in the selectable ratio such that an impeller of the at least one hydrodynamic component is arranged on the high-speed shaft of the power split transmission, and in that this fast revolving shaft rotates the input shaft of the generator ( 3 ). Windenergieanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrodynamische Bauteil als hydrodynamischer Wandler, hydrodynamische Kupplung oder Trilokwandler ausgebildet ist.Wind energy plant according to claim 5 or 6, characterized characterized in that the hydrodynamic component as hydrodynamic Transducer, hydrodynamic coupling or Trilokwandler formed is. Windpark mit wenigstens zwei Windenergieanlagen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Netz (10) auf einem Spannungsniveau über 15 kV ausgebildet ist.Wind farm with at least two wind turbines according to one of claims 1 to 7, characterized in that the electrical network ( 10 ) is formed at a voltage level above 15 kV. Windpark nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Netz (10) als Mittelspannungsnetz auf einem Spannungsniveau von 15 bis 60 kV, bevorzugt 34 kV, ausgebildet ist.Wind farm according to claim 8, characterized in that the electrical network ( 10 ) is designed as a medium-voltage network at a voltage level of 15 to 60 kV, preferably 34 kV. Windpark nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Netz (10) als elektrisches Netz innerhalb des Windparks (15) ausgebildet ist.Wind farm according to claim 8 or 9, characterized in that the electrical network ( 10 ) as an electrical network within the wind farm ( 15 ) is trained. Windpark nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Netz (10) des Windparks mit einem elektrischen Versorgungsnetz (14) verbunden ist.Wind farm according to claim 10, characterized in that the electrical network ( 10 ) of the wind farm with an electrical supply network ( 14 ) connected is. Windpark nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Versorgungsnetz (14) als Hochspannungsnetz mit 60 bis 400 kV, insbesondere als 110 kV-Hochspannungsnetz ausgebildet ist.Wind farm according to claim 11, characterized in that the electrical supply network ( 14 ) is designed as a high-voltage network with 60 to 400 kV, in particular as a 110 kV high-voltage network. Windpark nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Netz (10) mit einem als elektrisches Versorgungsnetz (14) auf einem Mittelspannungsniveau verbundenen ist.Wind farm according to claim 8, 9 or 10, characterized in that the electrical network ( 10 ) with an electrical supply network ( 14 ) is connected at a medium voltage level. Windpark nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Windpark-Steuerungseinheit (17) vorgesehen ist, welche den Steuergeräten (11) der einzelnen Windenergieanlagen (1) Werte vorgibt.Wind farm according to one of claims 8 to 13, characterized in that a central wind farm control unit ( 17 ) is provided, which the control devices ( 11 ) of the individual wind turbines ( 1 ) Specifies values.