DE102010009056A1 - Method for compensating fluctuations of the active power output as well as corresponding converter system and wind energy plant - Google Patents

Method for compensating fluctuations of the active power output as well as corresponding converter system and wind energy plant Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine (10) an ein Energieversorgungsnetzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems (68) mit wiederaufladbaren Energiespeichern (78, 80), wobei ein Umrichtersystem (12) elektrisch zwischen die elektrische Maschine (10) und das Netzwerk zwischengeschaltet ist und das Umrichtersystem (12) einen netzwerkseitigen Umrichter (64) und einen Gleichspannungszwischenkreis (24) mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) aufweist. Es ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem (68) an die Zwischenkreisspannungspotentiale (U+, U–) des Gleichspannungszwischenkreises (24) gekoppelt ist und dass ein Laden und Entladen der Energiespeicher (78, 80) durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (64) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Umrichtersystem (12) und eine Windenergieanlage mit Umrichtersystem.The invention relates to a method for compensating for fluctuations in the active power output of an electrical machine (10) operating as a generator to an energy supply network by means of an electrical energy storage system (68) with rechargeable energy stores (78, 80), a converter system (12) being electrically between the electrical machine (10) and the network is interposed and the converter system (12) has a network-side converter (64) and a DC voltage intermediate circuit (24) with at least one device for influencing the intermediate circuit voltage (36, 38). It is provided that the energy storage system (68) is coupled to the intermediate circuit voltage potentials (U +, U−) of the direct voltage intermediate circuit (24) and that the energy store (78, 80) is charged and discharged by controlling and / or regulating the intermediate circuit voltage by means of the network side Converter (64) and the device for influencing the intermediate circuit voltage (36, 38). The invention further relates to a corresponding converter system (12) and a wind power plant with a converter system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine an ein Energieversorgungsnetzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems mit wiederaufladbaren Energiespeichern, wobei ein Umrichtersystem elektrisch zwischen die elektrische Maschine und das Netzwerk zwischengeschaltet ist, das einen netzwerkseitigen Umrichter und einen Gleichspannungszwischenkreis mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung aufweist.The invention relates to a method for compensating for fluctuations in the active power output of a working as a generator electric machine to a power supply network by means of an electrical energy storage system with rechargeable energy storage, wherein an inverter system is electrically interposed between the electric machine and the network having a network-side converter and a DC link Has at least one means for influencing the DC link voltage.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Umrichtersystem zur elektrischen Kopplung einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine an ein Energieversorgungsnetzwerk, wobei das Umrichtersystem einen netwerkseitigen Umrichter und einen Gleichspannungszwischenkreis mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung aufweist, und schließlich eine Windenergieanlage mit einem Umrichtersystem und einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine.The invention further relates to an inverter system for electrically coupling an electric machine which can be operated as a generator to a power supply network, wherein the converter system has a network-side converter and a DC intermediate circuit with at least one device for influencing the intermediate circuit voltage, and finally a wind energy system with an inverter system and a generator that can be operated as a generator electric machine.

Windenergieanlagen (WEA) weisen in der Regel als Synchron- oder Asynchronmaschinen ausgebildete elektrische Maschinen auf, deren Leistung drehzahlvariant eingespeist wird. Ein seit langem verwendeter Typ von Windenergieanlagen ist ein Windenergieanlagentyp mit fremderregter Synchronmaschine und einem als „Vollumrichter” ausgebildeten Umrichtersystem. Zur elektrischen Maschine hin wird – statt eines selbstgeführten Frequenzumrichters, wie bei doppeltgespeisten Asynchronmaschinen üblich – alternativ auch ein Diodengleichrichter mit Hochsetzsteller verwendet. Weiterhin sind auch Windenergieanlagen mit permanenterregter Synchronmaschine und Vollumrichter im Einsatz. Hier ist der hohe Wirkungsgrad der Synchronmaschine aufgrund ihres wicklungslosen Läufers das heraushebende Merkmal. Allerdings sind die höheren Herstellkosten der Maschine zu berücksichtigen und es fallen im Vollumrichter wiederum höhere Verluste an als bei der doppeltgespeisten Asynchronmaschine.Wind turbines (WEA) generally have electrical machines designed as synchronous or asynchronous machines, the power of which is fed in at variable speeds. A long-used type of wind turbine is a wind turbine type with a separately excited synchronous machine and a converter system designed as a "full converter". For the electric machine out is - instead of a self-commutated frequency converter, as usual in double-fed asynchronous machines - alternatively a diode rectifier with boost converter used. Furthermore, wind turbines with permanent-magnet synchronous machine and full converter are also in use. Here, the high efficiency of the synchronous machine due to its windingless rotor is the distinguishing feature. However, the higher manufacturing costs of the machine have to be taken into account and in turn there are higher losses in the full converter than in the double-fed asynchronous machine.

Die Windenergieanlage erzeugt ihre Energie in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit mittels der elektrischen Maschine. Die von der Windenergieanlage in ein Energieverbundnetz des Energieversorgungsnetzwerkes eingespeiste Wirkleistung ist den Schwankungen der Windgeschwindigkeit unterworfen und kann nur bedingt vorhergesagt und garantiert werden. Daher müssen in dem Netzwerk Kraftwerke eingebunden sein, die im Stand-by-Betrieb laufen um auch kurzfristig eine stets bedarfsgerechte Energieversorgung gewährleisten zu können.The wind energy plant generates its energy as a function of the wind speed by means of the electric machine. The active power fed by the wind energy plant into an energy network of the energy supply network is subject to the fluctuations of the wind speed and can only be predicted and guaranteed to a limited extent. Therefore, power plants must be integrated into the network, which run in stand-by mode in order to be able to ensure an always demand-oriented energy supply in the short term.

Mit großen Batteriesystemen oder anderen elektrischen Energiespeichersystemen im Energieverbundnetz kann man Leistung zwischenspeichern und zu Spitzenlastzeiten ins Netz einspeisen und zu Schwachlastzeiten die Batterien aufladen. Die Batteriesysteme werden in großen Einheiten mit eigenen Lade- und Endladeschaltungen betrieben.With large battery systems or other electrical energy storage systems in the energy network, one can cache power and feed into the grid at peak load times and recharge the batteries at low load times. The battery systems are operated in large units with their own charging and discharging circuits.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Umrichtersystem und eine Windenergieanlage zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer elektrischen Maschine an ein Energieversorgungsnetzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems anzugeben, die einfach und kostengünstig umsetzbar sind.The object of the invention is to provide a method, an inverter system and a wind energy plant for compensating for fluctuations in the active power output of an electrical machine to a power supply network by means of an electrical energy storage system, which are simple and inexpensive to implement.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4 und 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the features of claims 1, 4 and 11. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem an die Zwischenkreisspannungspotentiale des Gleichspannungszwischenkreises gekoppelt ist und dass ein Laden und Entladen der Energiespeicher durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (netzseitigen Umrichters) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass vorhandene Komponenten und/oder Anordnungen des Umrichtersystems mitgenutzt werden können. Weiterhin erfolgt die Einspeisung „überschüssiger” Leistung in unmittelbarer Nähe zur elektrischen Maschine, die die Leistung erbringt. Unter der Zwischenkreisspannung ist die Differenz der (beiden) Zuwischenkreispotentiale U+, U– zu verstehen.In the method according to the invention for compensating variations in the active power output, it is provided that the energy storage system is coupled to the intermediate circuit voltage potentials of the DC intermediate circuit and that charging and discharging of the energy storage by controlling and / or regulating the DC link voltage by means of the network-side converter (network-side converter) and the means for Influencing the DC link voltage occurs. This has the advantage that existing components and / or arrangements of the converter system can be shared. Furthermore, the supply of "excess" power is in the immediate vicinity of the electric machine that provides the power. The intermediate circuit voltage is the difference between the (two) supply potentials U +, U-.

Bevorzugt ist weiterhin eine entsprechende Steuer-/Regelvorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung vorgesehen. Mit Vorteil weist die Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung einen Brems-Chopper und/oder einen Hochsetzsteller auf.Furthermore, a corresponding control / regulating device is preferably provided for controlling and / or regulating the intermediate circuit voltage by means of the device for influencing the intermediate circuit voltage. Advantageously, the device for influencing the DC link voltage on a brake chopper and / or a step-up converter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment und/oder der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine abhängigen Größe erfolgt. Diese Größen beschreiben den Ist-Zustand der elektrischen Maschine.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the control and / or regulation takes place as a function of a dependent of the rotational speed and / or the torque and / or the power output of the electrical machine size. These quantities describe the actual state of the electrical machine.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Frequenz und/oder von der Spannung des Netzwerks abhängigen Größe erfolgt. Diese Größen beschreiben den Ist-Zustand des Netzwerkes. Insbesondere erfolgt die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Frequenz und einer Soll-Frequenz und/oder in Abhängigkeit einer Differenz zwischen der Spannung und der Soll-Spannung des Energieversorgungsnetzwerks oder zumindest des Teilbereichs des Energieversorgungsnetzwerks, in das die elektrische Maschine über das Umrichtersystem eingebunden ist.According to a further preferred embodiment of the invention it is provided that the control and / or regulation in dependence of a is made dependent on the frequency and / or the voltage of the network size. These quantities describe the actual state of the network. In particular, the control and / or regulation takes place as a function of a difference between the frequency and a desired frequency and / or as a function of a difference between the voltage and the nominal voltage of the power supply network or at least of the subregion of the power supply network into which the electric machine the inverter system is integrated.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiespeicher bei einem Wert der Zwischenkreisspannung unterhalb einer Spannungsschwelle entladen werden und bei einem Wert der Zwischenkreisspannung oberhalb dieser Spannungsschwelle geladen werden.According to one embodiment of the invention, it is provided that the energy stores are discharged at a value of the intermediate circuit voltage below a voltage threshold and are charged at a value of the intermediate circuit voltage above this voltage threshold.

Das erfindungsgemäße Umrichtersystem weist ein Energiespeichersystem mit wiederaufladbaren Energiespeichern auf, wobei das Energiespeichersystem elektrisch an die Zwischenkreisspannungspotentiale des Gleichspannungszwischenkreises gekoppelt ist. Zum Ausgleich von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe der elektrischen Maschine an das Netzwerk kann dabei das Laden und Entladen der Energiespeicher durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung gesteuert/geregelt werden. Das Umrichtersystem ist ein Umrichtersystem, das geeignet für eine Windenergieanlage ist. Insbesondere sind die Komponenten der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung solche Komponenten, die auch bei bekannten Windenergieanlagen genutzt werden, insbesondere Leistungselektronik-Komponenten. Das Laden und Entladen der Energiespeicher erfolgt über eine Steuerung und/oder Regelung der Höhe der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (kurz: netzseitiger Umrichter) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung. Ist die Zwischenkreisspannung größer als die Spannung des elektrischen Energiespeichersystems, so werden die Energiespeicher geladen, ist die Spannung kleiner als die Spannung des elektrischen Energiespeichersystems, so werden die Energiespeicher entladen.The converter system according to the invention has an energy storage system with rechargeable energy stores, wherein the energy storage system is electrically coupled to the intermediate circuit voltage potentials of the DC intermediate circuit. To compensate for fluctuations in the active power output of the electrical machine to the network while charging and discharging the energy storage can be controlled / regulated by controlling and / or regulating the DC link voltage. The inverter system is an inverter system suitable for a wind turbine. In particular, the components of the device for influencing the intermediate circuit voltage are those components which are also used in known wind power plants, in particular power electronics components. The charging and discharging of the energy storage takes place via a control and / or regulation of the level of the intermediate circuit voltage by means of the network-side converter (in short: mains-side converter) and the device for influencing the intermediate circuit voltage. If the intermediate circuit voltage is greater than the voltage of the electrical energy storage system, the energy storage devices are charged, if the voltage is lower than the voltage of the electrical energy storage system, the energy storage devices are discharged.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Energiespeichersystem über Dioden (Koppeldioden) elektrisch an die Zwischenkreisspannungspotentiale gekoppelt. Die Dioden bilden dabei einen Verpolungsschutz.According to a preferred development of the invention, the energy storage system is electrically coupled to the intermediate circuit voltage potentials via diodes (coupling diodes). The diodes form a reverse polarity protection.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung einen Brems-Chopper und/oder einen Hochsetzsteller aufweist.According to a further preferred development of the invention, it is provided that the device for influencing the intermediate circuit voltage has a brake chopper and / or a step-up converter.

Insbesondere ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem ein Batteriesystem mit wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) ist.In particular, it is provided that the energy storage system is a battery system with rechargeable batteries (accumulators).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Umrichtersystem – vom Zwischenkreis aus betrachtet neben dem netzwerkseitigen Umrichter auch einen maschinenseitigen Umrichter aufweist. Der maschinenseitige Umrichter ist ein Gleichrichter, der netzwerkseitige Umrichter ist ein Wechselrichter. Jeder der Umrichter kann als passiver oder aktiver Umrichter ausgebildet sein. Ein als passiver Umrichter ausgebildeter Umrichter ist insbesondere mit Dioden realisiert, ein als aktiver Umrichter ausgebildeter Umrichter ist insbesondere mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (engl.: insulated-gate bipolar transistors IGBTs) realisiert.According to a preferred embodiment of the invention it is provided that the converter system - viewed from the intermediate circuit in addition to the network-side converter also has a machine-side inverter. The machine-side converter is a rectifier, the network-side converter is an inverter. Each of the converters can be configured as a passive or active converter. An inverter designed as a passive converter is realized in particular with diodes, and an inverter designed as an active converter is realized in particular with insulated gate bipolar transistors (IGBTs).

Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Umrichtersystem mindestens einen Netzfilter aufweist. Der Netzfilter ist bevorzugt mit dem netzwerkseitigen Umrichter elektrisch verbunden. Insbesondere schließt sich in Netzrichtung an den netzwerkseitigen Umrichter ein (dreiphasiger) Transformator an, der elektrisch zwischen den netzwerkseitigen Umrichter und das Netzwerk zwischengeschaltet ist.Furthermore, it is advantageously provided that the converter system has at least one line filter. The line filter is preferably electrically connected to the network-side converter. In particular, in the network direction to the network-side converter connects to a (three-phase) transformer, which is electrically interposed between the network-side inverter and the network.

Die erfindungsgemäße Windenergieanlage (WEA) weist das vorgenannte Umrichtersystem und eine als Generator betreibbare elektrische Maschine auf. Die elektrische Maschine ist als Synchronmaschine (Synchrongenerator) oder als Asynchronmaschine (Asynchrongenerator) ausgebildet. Das Energiespeichersystem ist insbesondere ein Batteriesystem mit parallel und/oder seriell verschalteten wiederaufladbaren Batterien. Zweckmäßigerweise wird das Energiespeichersystem in der Nähe der WEA installiert, insbesondere in einem maximal in der Größenordnung des Ausmaßes der Windenergieanlage liegenden Bereich der WEA.The wind turbine according to the invention (WEA) has the aforementioned converter system and an electric machine which can be operated as a generator. The electric machine is designed as a synchronous machine (synchronous generator) or as an asynchronous machine (asynchronous generator). The energy storage system is in particular a battery system with parallel and / or series-connected rechargeable batteries. The energy storage system is expediently installed in the vicinity of the wind turbine, in particular in a region of the wind turbine which is maximally of the order of magnitude of the wind power plant.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Windenergieanlage einen Turm auf, in und/oder an dessen Turmfuß das Energiespeichersystem angeordnet ist. Aufgrund des hohen Gewichts des Energiespeichersystems ergibt sich ein niedriger Schwerpunkt.According to a preferred embodiment of the invention, the wind turbine has a tower, in and / or at the base of the tower, the energy storage system is arranged. Due to the high weight of the energy storage system results in a low center of gravity.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to a preferred embodiment.

Es zeigen:Show it:

1 eine Anordnung aus einem Generator und einem Umrichtersystem einer Windenergieanlage und 1 an arrangement of a generator and an inverter system of a wind turbine and

2 ein Diagramm, bei dem die Zwischenkreisspannung über dem Lade- bzw. Entladestrom aufgetragen ist. 2 a diagram in which the intermediate circuit voltage is plotted against the charging or discharging current.

Die 1 zeigt die Anordnung einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine 10 und einem Umrichtersystem 12 einer Windenergieanlage (WEA). Die mehrphasige elektrische Maschine 10 ist dabei zum Beispiel als Synchrongenerator ausgebildet, könnte jedoch auch als Asynchrongenerator ausgebildet sein. Die Anzahl der Phasen kann dabei zum Beispiel drei oder sechs sein.The 1 shows the arrangement of a working as a generator electric machine 10 and an inverter system 12 a wind turbine (WEA). The multi-phase electric machine 10 is designed for example as a synchronous generator, but could also be designed as an asynchronous generator. The number of phases can be three or six, for example.

Die elektrische Maschine 10 ist über drei Leitungen 14, 16, 18 mit einem maschinenseitigen Umrichter 20 des Umrichtersystems 12 elektrisch verbunden. Innerhalb des maschinenseitigen Umrichters 20 sind die Leitungen 14, 16, 18 über Transistoren 22 (insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode – engl.: insulated-gate bipolar transistors IGBTs) mit zwei die Zwischenkreispotentiale eines Gleichspannungszwischenkreises 24 des Umrichtersystems 12 aufweisenden Potentialträgern 26, 28 verbunden. Der maschinenseitigen Umrichter 20 ist als aktiver Gleichrichter 30 ausgebildet.The electric machine 10 is over three wires 14 . 16 . 18 with a machine-side inverter 20 of the inverter system 12 electrically connected. Inside the machine-side converter 20 are the wires 14 . 16 . 18 via transistors 22 (In particular, insulated gate bipolar transistors (IGBTs)) with two the DC link potentials of a DC intermediate circuit 24 of the inverter system 12 exhibiting potential carriers 26 . 28 connected. The machine-side inverter 20 is as an active rectifier 30 educated.

Der Zwischenkreis 24 weist neben einem Zwischenkreiskondensator 32 in einem die beiden Potentialträger 26, 28 verbindenden Strompfad 34 auch zwei Einrichtungen zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung 36, 38 auf. Die eine der Einrichtungen 36 umfasst ein Brems-Chopper 40, der in einem die Potentialträger 26, 28 ebenfalls elektrisch verbindenden weiteren Strompfad 42 einen Widerstand (Bremswiderstand) 44 und ein Schalttransistor 46 aufweist, die seriell angeordnet sind. Die andere der Einrichtungen 38 weist einen Hochsetzsteller 48 auf, der ein induktives Element 50 im Potentialträger 26 mit dem höheren Potential und einen weiteren Schalttransistor 52 in einem die beiden Potentialträger 26, 28 ebenfalls verbindenden anderen Strompfad 54 aufweist.The DC link 24 points next to a DC link capacitor 32 in one the two potential carriers 26 . 28 connecting current path 34 also two devices for influencing the intermediate circuit voltage 36 . 38 on. The one of the facilities 36 includes a brake chopper 40 , who in one the potential carriers 26 . 28 also electrically connecting further current path 42 a resistor (braking resistor) 44 and a switching transistor 46 has, which are arranged in series. The other of the facilities 38 has a boost converter 48 on, which is an inductive element 50 in the potential carrier 26 with the higher potential and another switching transistor 52 in one the two potential carriers 26 . 28 also connecting other current path 54 having.

Zwischen dem Zwischenkreis 24 und drei Anschlussleitungen 56, 58, 60 für ein nicht gezeigtes Netzwerk weist das Umrichtersystem 12 einen als Wechselrichter 62 ausgebildeten netzseitigen Umrichter 64 auf. Innerhalb des netzwerkseitigen Umrichters 64 sind die Potentialträger 26, 28 über Transistoren 66 (insbesondere IGBT's) mit den drei Leitungen 56, 58, 60 verbunden. Der netzwerkseitige Umrichter 64 ist somit als aktiven Wechselrichter 62 ausgebildet.Between the DC link 24 and three connecting cables 56 . 58 . 60 for a network not shown, indicates the inverter system 12 one as an inverter 62 trained network-side converter 64 on. Within the network-side inverter 64 are the potential carriers 26 . 28 via transistors 66 (IGBT's in particular) with the three lines 56 . 58 . 60 connected. The network-side inverter 64 is thus as an active inverter 62 educated.

Das Umrichtersystem 12 weist weiterhin ein als Batteriesystem ausgebildetes Energiespeichersystem 68 auf, dessen Pole 70, 72 über jeweilige Dioden 74, 76 elektrisch an die Potentialträger 26, 28 mit den Zwischenkreisspannungspotentialen U+, U– gekoppelt ist. Das Energiespeichersystem 68 weist insbesondere mehrere Energiespeicher 78, 80 auf, die in Serie und/oder parallel verschaltet sind. Die Energiespeicher 78, 80 sind bei einem als Batteriesystem ausgebildeten elektrischen Energiespeichersystem 68 wiederaufladbare Batterien (oder Akkumulatoren) beziehungsweise Batteriezellen.The inverter system 12 also has a trained as a battery system energy storage system 68 on, whose poles 70 . 72 via respective diodes 74 . 76 electrically to the potential carriers 26 . 28 is coupled to the intermediate circuit voltage potentials U +, U-. The energy storage system 68 in particular has several energy storage 78 . 80 on, which are connected in series and / or in parallel. The energy storage 78 . 80 are in a designed as a battery system electrical energy storage system 68 rechargeable batteries (or accumulators) or battery cells.

Das Laden und Entladen der wiederaufladbaren Energiespeicher 78, 80 erfolgt über eine Steuerung und/oder Regelung der Höhe der Zwischenkreisspannung mittels der mindestens einen Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung 36, 38 und einer Steuer-/Regelvorrichtung (nicht gezeigt) zur Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung 36, 38 und dem netzwerkseitigen Umrichter 64.Charging and discharging the rechargeable energy storage 78 . 80 takes place via a control and / or regulation of the height of the intermediate circuit voltage by means of the at least one device for influencing the intermediate circuit voltage 36 . 38 and a control / regulating device (not shown) for controlling and / or regulating the intermediate circuit voltage by means of the device for influencing the intermediate circuit voltage 36 . 38 and the network-side inverter 64 ,

Ist die Zwischenkreisspannung größer als die zwischen den Polen 70, 72 anliegende Spannung des elektrischen Energiespeichersystems 68, so werden die Energiespeicher 78, 80 geladen, ist die Spannung kleiner als die Spannung des elektrischen Energiespeichersystems 68, so werden die Energiespeicher 78, 80 entladen. Über den netzwerkseitigen Umrichter 64 wird die Energie ins Netzwerk abgegeben. Die Zwischenkreisspannung (U = U+ – U–) ist so zu dimensionieren, dass sie auch beim Entladen der Energiespeicher 78, 80 noch hoch genug ist um die Energie ins Netz einzuspeisen. Beim Laden der Energiespeicher 78, 80 darf die Spannung nicht zu groß werden, um die Sperrschicht der als IGBT's ausgebildeten Transistoren 22, 66 und der sonstigen verwendeten Bauteile 44, 46, 50, 52 nicht zu zerstören.Is the intermediate circuit voltage greater than that between the poles 70 . 72 applied voltage of the electrical energy storage system 68 so are the energy stores 78 . 80 charged, the voltage is smaller than the voltage of the electrical energy storage system 68 so are the energy stores 78 . 80 discharged. Via the network-side inverter 64 the energy is released into the network. The DC link voltage (U = U + - U-) is to be dimensioned so that it also during the discharge of the energy storage 78 . 80 is still high enough to feed the energy into the grid. When charging the energy storage 78 . 80 The voltage must not be too large to the junction of the formed as IGBT transistors 22 . 66 and the other components used 44 . 46 . 50 . 52 not to destroy.

Die 2 zeigt eine entsprechende Graphik, bei der die Zwischenkreisspannung über dem Lade- bzw. Entladestrom aufgetragen ist. Eine Spannungsschwelle Vs, die den Ladebereich vom Entladebereich trennt, liegt zum Beispiel bei 1000 V. Die Energiespeicher 78, 80 werden somit bei einem Wert der Zwischenkreisspannung unterhalb dieser Spannungsschwelle Vs entladen (Bereich I) und bei einem Wert der Zwischenkreisspannung oberhalb der ersten. Spannungsschwelle Vs1 geladen (Bereich II). Typische Werte der Zwischenkreisspannung sind 950 V DC zum Entladen und 1050 V DC zum Laden.The 2 shows a corresponding graph, in which the intermediate circuit voltage is plotted against the charging or discharging current. A voltage threshold Vs, which separates the charging area from the unloading area, is for example 1000 V. The energy store 78 . 80 are thus discharged at a value of the intermediate circuit voltage below this voltage threshold Vs (range I) and at a value of the intermediate circuit voltage above the first. Voltage threshold Vs1 charged (area II). Typical values of the intermediate circuit voltage are 950 V DC for discharging and 1050 V DC for charging.

Die Zwischenkreisspannung wird

  • – mittels des Hochsetzstellers 48 angehoben,
  • – über den netzseitigen Umrichter 64 geregelt und durch Leistungsabgabe in das Netzwerk gesenkt,
  • – durch den maschineseitigen Umrichter 20 geladen, wobei die Zwischenkreisspannung bei Energiezufuhr ansteigt und
  • – mittels des Brems-Choppers 40 gegebenenfalls abgesenkt, um die Zwischenkreisspannung in einem vorgegebenen Bereich zu halten. Diese Option wird benötigt, wenn zum Beispiel durch einen Netzspannungseinbruch im Netzwerk die Zwischenkreisenergie nicht über den netzwerkseitigen Umrichter 64 in das Netzwerk abgegeben werden kann.
The DC link voltage is
  • - By means of the boost converter 48 raised,
  • - via the line-side inverter 64 regulated and lowered by power delivery to the network,
  • - through the machine-side inverter 20 charged, the DC link voltage increases when energized and
  • - by means of the brake chopper 40 optionally lowered to maintain the DC link voltage in a predetermined range. This option is required if, for example due to a mains voltage dip in the network, the DC link energy is not supplied via the network-side inverter 64 can be submitted to the network.

Insbesondere erfolgt die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment und/oder der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine 10 abhängigen Größe und/oder in Abhängigkeit einer von der Frequenz und/oder Spannung des Netzwerks abhängigen Größe.In particular, the control and / or regulation takes place as a function of one of the rotational speed and / or the torque and / or the power output of the electric machine 10 dependent size and / or depending on a dependent on the frequency and / or voltage of the network size.

Zweckmäßig wird das Batterie System in der Nähe der WEA installiert, zum Beispiel im Turmfuß der Anlage.The battery system is expediently installed near the wind turbine, for example in the tower base of the turbine.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
elektrische Maschineelectric machine
1212
Umrichtersysteminverter system
1414
Leitungmanagement
1616
Leitungmanagement
1818
Leitungmanagement
2020
Umrichterinverter
2222
Transistortransistor
2424
GleichspannungszwischenkreisDc link
2626
Potentialträgerpotential carrier
2828
Potentialträgerpotential carrier
3030
Gleichrichterrectifier
3232
ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
3434
Strompfadcurrent path
3636
EinrichtungFacility
3838
EinrichtungFacility
4040
Brems-ChopperBrake chopper
4242
Strompfadcurrent path
4444
Widerstandresistance
4646
Schalttransitorswitching transistor
4848
HochsetzstellerBoost converter
5050
induktives Elementinductive element
5252
Schalttransistorswitching transistor
5454
Strompfadcurrent path
5656
Leitungmanagement
5858
Leitungmanagement
6060
Leitungmanagement
6262
Wechselrichterinverter
6464
Umrichterinverter
6666
Transistortransistor
6868
EnergiespeichersystemEnergy storage system
7070
Polpole
7272
Polpole
7474
Diodediode
7676
Diodediode
7878
Energiespeicherenergy storage
8080
Energiespeicherenergy storage
U+U +
oberes ZwischenkreisspannungspotentialUpper DC link voltage potential
U–U-
unteres Zwischenkreisspannungspotentiallower intermediate circuit voltage potential

Claims (12)

Verfahren zum Ausgleichen von Schwankungen der Wirkleistungsabgabe einer als Generator arbeitenden elektrischen Maschine (10) an ein Energieversorgungsnetzwerk mittels eines elektrischen Energiespeichersystems (68) mit wiederaufladbaren Energiespeichern (78, 80), wobei ein Umrichtersystem (12) elektrisch zwischen die elektrische Maschine (10) und das Netzwerk zwischengeschaltet ist, das einen netzwerkseitigen Umrichter (64) und einen Gleichspannungszwischenkreis (24) mit mindestens einer Einrichtung (36, 38) zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (68) an die Zwischenkreisspannungspotentiale (U+, U–) des Gleichspannungszwischenkreises (24) gekoppelt ist und dass ein Laden und Entladen der Energiespeicher (78, 80) durch Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (64) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) erfolgt.Method for compensating variations in the active power output of an electric machine operating as a generator ( 10 ) to a power supply network by means of an electrical energy storage system ( 68 ) with rechargeable energy storage devices ( 78 . 80 ), whereby an inverter system ( 12 ) electrically between the electric machine ( 10 ) and the network is interconnected, which is a network-side converter ( 64 ) and a DC voltage intermediate circuit ( 24 ) with at least one device ( 36 . 38 ) for influencing the intermediate circuit voltage, characterized in that the energy storage system ( 68 ) to the intermediate circuit voltage potentials (U +, U-) of the DC intermediate circuit ( 24 ) and that charging and discharging the energy storage ( 78 . 80 ) by controlling and / or regulating the intermediate circuit voltage by means of the network-side converter ( 64 ) and the device for influencing the DC link voltage ( 36 . 38 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment und/oder der Leistungsabgabe der elektrischen Maschine (10) abhängigen Größe erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the control and / or regulation as a function of one of the rotational speed and / or the torque and / or the power output of the electric machine ( 10 ) dependent size takes place. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit einer von der Frequenz und/oder von der Spannung des Netzwerks abhängigen Größe erfolgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the control and / or regulation takes place as a function of a dependent on the frequency and / or the voltage of the network size. Umrichtersystem zur elektrischen Kopplung einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine (10) an ein Energieversorgungsnetzwerk, wobei das Umrichtersystem (12) einen netwerkseitigen Umrichter (64) und einen Gleichspannungszwischenkreis (24) mit mindestens einer Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38) aufweist, gekennzeichnet durch ein Energiespeichersystem (68) mit wiederaufladbaren Energiespeichern (78, 80), wobei das Energiespeichersystem (68) elektrisch an die Zwischenkreisspannungspotentiale (U+, U–) des Gleichspannungszwischenkreises (24) gekoppelt ist.Inverter system for the electrical coupling of an electric machine that can be operated as a generator ( 10 ) to a power supply network, the converter system ( 12 ) a network-side converter ( 64 ) and a DC voltage intermediate circuit ( 24 ) with at least one device for influencing the intermediate circuit voltage ( 36 . 38 ), characterized by an energy storage system ( 68 ) with rechargeable energy storage devices ( 78 . 80 ), the energy storage system ( 68 ) electrically to the intermediate circuit voltage potentials (U +, U-) of the DC intermediate circuit ( 24 ) is coupled. Umrichtersystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Steuer-/Regelvorrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Zwischenkreisspannung mittels des netzwerkseitigen Umrichters (64) und der Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36, 38).Converter system according to claim 4, characterized by a control / regulating device for controlling and / or regulating the intermediate circuit voltage by means of the network-side converter ( 64 ) and the device for influencing the DC link voltage ( 36 . 38 ). Umrichtersystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (68) über Dioden (74, 76) elektrisch an die Zwischenkreisspannungspotentiale (U+, U–) gekoppelt ist.Inverter system according to claim 4 or 5, characterized in that the energy storage system ( 68 ) via diodes ( 74 . 76 ) electrically to the DC link voltage potentials (U +, U-) is coupled. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (36) einen Brems-Chopper (40) aufweist.Inverter system according to one of claims 4 to 6, characterized in that at least one device for influencing the DC link voltage ( 36 ) a brake chopper ( 40 ) having. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur Beeinflussung der Zwischenkreisspannung (38) einen Hochsetzsteller (48) aufweist.Inverter system according to one of claims 4 to 7, characterized in that at least one device for influencing the DC link voltage ( 38 ) a boost converter ( 48 ) having. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem (68) ein Batteriesystem mit wiederaufladbaren Batterien ist.Inverter system according to one of claims 4 to 8, characterized in that the energy storage system ( 68 ) is a battery system with rechargeable batteries. Umrichtersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch einen maschinenseitigen Umrichter (20).Inverter system according to one of claims 4 to 9, characterized by a machine-side converter ( 20 ). Windenergieanlage mit dem Umrichtersystem (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine (10).Wind energy plant with the converter system ( 12 ) according to one of claims 4 to 7 and an electric machine which can be operated as a generator ( 10 ). Windenergieanlage nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Turm in und/oder an dessen Turmfuß das Energiespeichersystem (68) angeordnet ist.Wind energy plant according to claim 11, characterized by a tower in and / or at the base of the tower, the energy storage system ( 68 ) is arranged.
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