DE102013203540A1

DE102013203540A1 - Windenergieanlagen mit verbesserter Leistungsreservenbereithaltung

Info

Publication number: DE102013203540A1
Application number: DE102013203540.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Geisler; Stefan Schrader; Roman Bluhm; Marc Petsche
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-04
Also published as: WO2014131831A1; EP2961981B1; EP2961981A1; ES2710528T3; DK2961981T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Windenergieanlage zum Bereitstellen einer Leistungsreserve beim Betrieb von Windenergieanlagen, in deren Steuerung (2) eine erste Kennlinie (36) für einen Zusammenhang zwischen Schnelllaufzahl des Windrotors (11) und Anstellwinkel seiner Rotorblätter (12) implementiert ist. Erfindungsgemäß vorgesehen sind ein Implementieren einer zweiten Kennlinie (37) mit abweichenden Anstellwinkeln für einen suboptimalen Betrieb, so dass eine vorbestimmte Leitungsreduktion erreicht ist, ein Verwenden der zweiten Kennlinie (37) für die Steuerung (2), wenn Reserveleistung bereitgestellt werden soll, und ein Berechnen des Anstellwinkels beim Anfordern von Reserveleistung mittels einer Mischung der zweiten Kennlinie (37) und der ersten Kennlinie (36). Mit der Mischung aus beiden Kennlinien wird eine graduelle Überblendung erreicht, mit dem Ergebnis eines harmonischen und stufenlosen Übergangs vom reduzierten zum nicht-reduzierten Betrieb. Zweckmäßig ist eine nichtlineare Überblendung, etwa durch eine Quadratwurzelfunktion. Ohne großen Hardwareaufwand wird eine beträchtliche Verbesserung des Betriebsverhaltens erreicht. Eine Nachrüstung bereits bestehender Anlagen ist so ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungsreserve. Ein von einem Windrotor angetriebener Generator der Windenergieanlage gibt elektrische Leistung ab. Ihr Betrieb wird kontrolliert von einer Steuerung, welche einen Eingang für eine gewünschte Leistungsreduktion aufweist.
Mit der steigenden Bedeutung von Windenergieanlagen bei der Erzeugung elektrischer Leistung in einem Stromnetz steigen auch die Anforderungen an die Windenergieanlagen, Systemdienstleistungen für das Stromnetz zu erbringen. Zu diesen Systemdienstleistungen zählt außer einer Bereitstellung von Blindleistung auch das Bereithalten von Reserveleistung, um so auf Anforderung des Netzbetreibers kurzfristig zusätzliche Energie in das Netz einspeisen zu können. Bei Windenergieanlagen treten hierbei zwei besondere Schwierigkeiten auf. Üblicherweise werden Windenergieanlagen nämlich bereits so betrieben, dass sie die maximal mögliche Leistung aus dem verfügbaren Wind erzeugen. Zum anderen hängt die Leistungserzeugung der Windenergieanlage von der zufälligen Stärke des Winds ab, kann also gar nicht gezielt verändert bzw. erhöht werden. Die Abhängigkeit von der Windstärke wirkt sich insbesondere im Teillastbetrieb der Windenergieanlage aus, denn hierbei wird der gesamte verfügbare Wind bereits in elektrische Leistung umgesetzt – eine Steigerung ist bei unveränderten Windbedingungen nicht möglich. Im Volllastbetrieb hingegen weht zwar ein ausreichend starker Wind, der gegebenenfalls mehr Leistung erlauben würde, jedoch gibt die Windenergieanlage bereits ihre Nennleistung ab und kann schon daher die Leistungsabgabe nicht erhöhen.
Um dennoch Windenergieanlagen auch zur Bereitstellung von zusätzlicher Reserveleistung heranzuziehen, sind verschiedene Ansätze bekannt geworden. Ein erster Ansatz besteht darin, zur Bereitstellung von sehr kurzfristig wirkender sog. Regelleistung die im Windrotor und dem rotierenden Teil des Antriebsstrangs gespeicherte kinetische Energie zu nutzen. Konkret wird hierbei der Rotor verlangsamt, so dass die dabei frei werdende kinetische Energie als zusätzliche elektrische Leistung abgegeben werden kann ( WO 2005/025026 A1 ). Dieses Konzept funktioniert jedoch nur zur sehr kurzfristigen Bereitstellung von zusätzlicher Leistung, da der Windrotor schnell an Drehzahl verliert und die Windenergieanlage in der Folge weniger Leistung als vorher abgibt.
Ferner ist es bekannt, Windenergieanlagen zur dauerhaften Abgabe von zusätzlicher Leistung in der Weise zu ertüchtigen, indem sie im Regelbetrieb mit einer suboptimalen Einstellung betrieben werden (Prillwitz, F. et al.: Primärregelung mit Windkraftanlagen, ITG-Workshop „Neue dezentrale Versorgungsstrukturen", Februar 2003, Frankfurt/Main). So wird vorgeschlagen, insbesondere im Teillastbetrieb, bei dem die Windenergieanlage herkömmlicherweise zur Erzeugung einer maximalen Leistung mit einem optimalen Blattanstellwinkel betrieben wird, den Blattanstellwinkel mit einem Offset zu versehen, so dass der optimale Wert verlassen wird. Die Windenergieanlage erzeugt damit weniger Leistung, als sie bei den gegebenen Windbedingungen an sich könnte (reduzierter Betrieb). Wenn im Bedarfsfall Reserveleistung zusätzlich abgegeben werden soll, wird das Offset verringert und der Blattanstellwinkel zu seinem optimalen Wert hin verstellt. Dieses Konzept bietet den Vorteil, dass es im Prinzip dauerbetriebsfest ist und damit die Windenergieanlagen dauernd Reserveleistung bereitstellen können. Eine Erweiterung dieses Konzepts besteht darin, für verschiedene vorgesehene Reserveleistungen je eine eigene Kennlinie zu implementieren ( DE 10 2011 081 795 A1 ). Das beschriebene Konzept gibt jedoch keine Ansätze dafür, wie das für einen stabilen Betrieb wichtige Übergangsverhalten zwischen reduziertem und nicht reduziertem Betrieb günstig gestaltet werden kann.
Ein weiteres Konzept zur dauerhaften Bereitstellung von Reserveleistung mittels eines suboptimalen Blattanstellwinkels ist beschrieben in der WO 2010/000648 A2 . Die Leistungsabgabe der Windenergieanlage kann um einen wählbaren Betrag beschränkt werden. Bei dem wählbaren Betrag kann es sich um einen festen Leistungswert oder um einen prozentualen Anteil handeln. Mit dem Aspekt der Verbesserung des Übergangsverhaltens befasst sich das Dokument nicht. Wenn, ausgehend von einem zur Laufzeit ermittelten Leistungsangebot ein Pitchwinkel zur gezielten Reduktion der Leistungsabgabe ermittelt werden soll, so ergibt sich zunächst das Problem, das Leistungsangebot genau genug zu bestimmen. Weiterhin wird der auf diese Weise bestimmte „Reduktions-Pitchwinkel“ idealerweise kontinuierlich variieren. Dadurch würde jedoch eine kontinuierliche Aktivität des Pitchaktors resultieren. In der Folge ergibt sich ein beträchtlich erhöhter Verschleiß des Pitchaktors.
Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage und ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, welches eine Verbesserung der Bereitstellung von Reserveleistung erreicht, und zwar insbesondere im Hinblick auf eine Schonung der Windenergieanlage.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorgesehen ist ein Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungsreserve beim Betrieb von Windenergieanlagen, die einen von einem Windrotor angetriebenen Generator zur Abgabe elektrischer Leistung sowie eine Steuerung dafür aufweisen, welche eine erste Kennlinie für einen Zusammenhang zwischen Schnelllaufzahl des Windrotors und Anstellwinkel der Rotorblätter sowie einen Eingang für eine gewünschte Leistungsreduktion aufweist, wobei erfindungsgemäß vorgesehen sind ein Implementieren einer zweiten Kennlinie mit abweichenden Werten für den Anstellwinkel für einen suboptimalen Betrieb, so dass eine vorbestimmte Leistungsreduktion erreicht ist, eine Verwenden der zweiten Kennlinie für die Steuerung, wenn Reserveleistung bereitgestellt werden soll (Bereitstellungsbetrieb), und ein Errechnen des Pitchwinkels mittels einer Mischung der ersten Kennlinie und der zweiten Kennlinie bei Anforderung von Reserveleistung (Aktivbetrieb).
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, mittels der zweiten Kennlinie die Windenergieanlage optimal für den Reservebetrieb auszulegen und weiter mittels einer speziellen Kennlinienmischung das Übergangsverhalten von reduziertem und nicht reduziertem Betrieb zu verbessern, um so einen Material schonenden Betrieb der Windenergieanlage zu gewährleisten. Damit braucht bei der Auslegung der zweiten Kennlinie keine Rücksicht auf das Übergangsverhalten genommen zu werden, sie kann allein für den Dauerbetrieb optimiert sein. Für ein gleichmäßiges Übergangsverhalten, bspw. im Fall der Anforderung von Reserveleistung im Aktivbereich, sieht die Erfindung eine Mischung aus beiden Kennlinien vor. Damit kann eine graduelle Überblendung erreicht werden, wodurch sich ein harmonischer und stufenloser Übergang ergibt.
Das verbesserte Übergangsverhalten führt zu einem ruhigeren Lauf, wodurch auch die Pitchaktivität insbesondere beim Übergang vom reduzierten zum nicht reduzierten Betrieb verringert wird. Damit ergibt sich auch eine Schonung des Pitchantriebs für die Blattverstellung. Zusätzlicher Verschleiß wird somit wirksam vermieden. Der aufgrund des verbesserten Übergangsverhaltens schonendere Betrieb für den Antriebsstrang ist von besonderem Vorteil für leistungsstarke Anlagen, wie sie typischerweise im Offshore-Einsatz vorgesehen sind. Denn zum einen sind diese Anlagen aufgrund ihrer hohen Leistung anfällig gegenüber zusätzlichen, parasitären Belastung, und zum anderen sind diese Anlagen wegen des erschwerten Zugangs meist aufwendig zu warten. Gerade für solche Anlagen ist daher eine Schonung dank des erfindungsgemäß verbesserten Verhaltens von besonderer Bedeutung.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass es die vorteilhafte Wirkung mit geringem Aufwand erreicht, wobei insbesondere keine zusätzliche Hardware oder kompliziert zu parametrierende Rechenmodelle erforderlich werden. In den meisten Fällen genügt es, die ohnehin vorhandene Programmsteuerung entsprechend zu erweitern. Damit eröffnet die Erfindung auch den Weg zur Nachrüstung älterer, bereits bestehender Windenergieanlagen.
Vorzugsweise erfolgt das Überblenden in der Weise, dass die mittels der beiden Kennlinien errechneten Werte zueinander gewichtet werden. Indem der Gewichtungswert sukzessiv verschoben wird, kann so eine allmähliche Überblendung erreicht werden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Gewichtung nicht-linear erfolgt. Damit kann eine rasche Bereitstellung von Reserveleistung kombiniert werden mit einem schonenden, allmählichen Annähern an die Maximalleistung, so dass insbesondere die für die mechanische Belastung des Antriebsstrangs kritischen Überschwinger verhindert werden können. Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform für die nicht-lineare Gewichtung liegt in einer Wurzelfunktion, insbesondere einer Quadratwurzelfunktion. Dies sei an einem Beispiel erläutert: Wird beispielsweise eine Bereitstellung von 50 % der bereitgehaltenen Reserveleistung gefordert, so wird der dazu einzustellende Pitchwinkel berechnet aus der Quadratwurzel von 0,5 entsprechend dem 0,707-fachen aus der zweiten Kennlinie (Reservebetrieb) und dem dazu komplementären Wert von 1 – (Quadratwurzel von 0,5) entsprechend dem 0,293-fachen aus der ersten Kennlinie (nicht reduzierter Betrieb).
Der Wert für die Leistungsreduktion kann als Anteil übermittelt werden, insbesondere in Gestalt eines Prozentwerts der abgegebenen Leistung. Damit ist sichergestellt, dass die Leistungsreserve in einem kontrollierten und angemessenen Verhältnis zur verfügbaren Windleistung der Windenergieanlage steht. Der Gefahr einer Überlastung durch Vorgabe einer zu hohen Leistungsreserve bei nur schwachen Windverhältnissen wird damit entgegengewirkt. Alternativ kann auch ein fester Wert für die Leistungsreserve abgegeben sein.
Zweckmäßigerweise ist weiter vorgesehen, eine übergroße gewünschte Leistungsreduktion herzustellen, wobei unter „übergroß“ ein Wert von mindestens 50 % der Nennleistung der Windenergieanlage verstanden wird. Damit ist es ermöglicht, durch eine entsprechend übergroße Leistungsreduktion die Windenergieanlage abzuregeln, insbesondere im Fall eines Auftretens von Überfrequenz.
Grundsätzlich ist es so, dass die zweite Kennlinie abhängig davon festgelegt ist, wie groß die vorgesehene Leistungsreserve ist. Dies kann in der Weise erfolgen, dass für jede eingestellte Leistungsreserve eine eigene, weitere Kennlinie bestimmt wird. Einfacher und vollkommen ausreichend ist es jedoch, wenn für mehrere unterschiedliche Leistungsreserven nur für eine von jenen eine Kennlinie bestimmt ist, und für die übrigen Leistungsreserven entsprechend eine Interpolation durchgeführt wird. Damit kann der Aufwand bei der Stellung der zweiten Kennlinie für den Reduktionsbetrieb vermindert werden, und dennoch wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dank der nichtlinearen Überblendung ein ausreichend ruhiges Betriebsverfahren und harmonisches Übergangsverhalten erreicht.
Mit Vorteil sieht das Verfahren vor, dass ein Signal für die Anforderung von Reserveleistung von extern, insbesondere einem Parkmaster, angelegt wird. Damit kann eine zentrale Steuerung der Reserveleistung erreicht werden. Dies ist insbesondere für den Betrieb der Windenergieanlagen in einem Windpark von Vorteil. Da es jedoch auch zu einem Kommunikationsausfall kommen kann, so dass keine Parameter insoweit von extern für die angeforderte Reserveleistung angelegt sind, ist vorzugsweise eine Wertspeicherung lokal vorgesehen. Damit kann auch bei Ausfall der Kommunikation auf Grundlage des letzten Wertes das Verfahren weitergeführt werden. Zweckmäßigerweise werden mehrere der vergangenen Werte gespeichert, so dass mit Vorteil daraus ein Mittelwertsignal gebildet werden kann. Dies ermöglicht eine dank der Mittelung glattere Betriebsweise im Fall des Kommunikationsausfalls.
Die Steuerung zur Abgabe der Reserveleistung kann zentral durchgeführt werden, so dass ein entsprechendes Signal – wie bereits erwähnt – von extern an die Windenergieanlage angelegt ist. Dies ist insbesondere von Vorteil beim Betrieb der Windenergieanlage in einem Windpark. Gerade im Hinblick auf einen Windpark hat es sich bewährt, wenn nicht alle, sondern lediglich nur ein Teil der Windenergieanlagen im Park eingestellt sind für die Abgabe der Reserveleistung.
Vorzugsweise ist an die Steuerung ferner ein Wert für eine Maximalleistung angelegt. Bei diesem Wert kann es sich insbesondere um einen solchen für eine Leistungsbegrenzung handeln, wie sie innerhalb des Windparks vorgegeben ist. Zweckmäßigerweise wird eine solche Leistungsbegrenzung zusätzlich zu der Reduktion für die vorzuhaltende Leistungsreserve berücksichtigt. Gegebenenfalls wird der aus der Leistungsbegrenzung resultierende Soll-Wert für die Leistung mit einem von extern angelegtem Soll-Wert verglichen, wobei dann das Minimum aus beiden Werten verwendet wird.
Alternativ oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass ein Maximalwert von extern, insbesondere an der übergeordneten Leitstelle oder Netzkontrollstelle, vorgegeben wird. Hierbei handelt es sich insbesondere um sog. „reduzierte Parksollwerte“, womit die externe Stelle (insbesondere die Netzkontrollstelle) dem Park eine Leistungsbegrenzung vorgibt. Die Vorgabe einer Leistungsreserve bleibt davon unberührt, so dass sie bei Bedarf dennoch abgerufen werden kann. In diesem Fall ist entsprechend der Sollwert für die Parkleistung zusätzlich um den Wert für die vorzuhaltende Leistungsreserve zu verringern, damit im Bedarfsfall zusätzliche Reserveleistung eingespeist werden kann. Dabei bleibt die von extern vorgegebene Leistungsreduktion im Regelfall erhalten. Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass im Bedarfsfall die externe Leistungsreduktion aufgehoben wird, um somit die zur Verfügung zu stellende Reserveleistung weiter zu erhöhen. Zweckmäßigerweise wird bei einer Leistungsbegrenzung vorzugsweise nur ein Teil der Windenergieanlagen des Windparks entsprechend reduziert betrieben, vorzugsweise solche, die sich bereits im Volllastbetrieb befinden. Damit wird eine unnötige Belastung der im Teillastbetrieb arbeitenden Windenergieanlagen mit dieser Regelungsfunktion vermieden.
Vorzugsweise ist ein Statikmodul vorgesehen, welches einen Wert für die vorzuhaltende Leistungsreserve auf Basis einer Netzfrequenz bestimmt. Ausgangspunkt ist ein Wert für die vorzuhaltende Leistungsreserve bei Nenn-Netzfrequenz. Bei Unterfrequenz wird dieser Wert kontinuierlich verringert, wenn die Frequenz die untere Grenze eines Toleranzbandes um die Netz-Nennfrequenz überschreitet, und zwar bis auf eine Leistungsreserve von Null. Umgekehrt wird bei Überfrequenz, also bei Frequenz oberhalb eines oberen Grenzwerts für das Toleranzband, die vorzuhaltende Leistungsreserve beträchtlich vergrößert, und zwar auf Werte von über 50 % der Nennleistung der Windenergieanlagen, um so im Fall eines Auftretens von Überfrequenzen eine wirksame Leistungsreduktion zu erreichen. Steigt die Frequenz trotz der beträchtlichen Leistungsreduktion weiter an, so erfolgt zweckmäßigerweise ein Abschalten der Windenergieanlage vom Netz.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben eines Windparks umfassend mehrere Windenergieanlagen, wie vorstehend beschrieben. Es wird auf nähere Erläuterungen oder vorstehende Beschreibung verwiesen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Windenergieanlage bzw. mit entsprechenden Windenergieanlagen versehenen Windpark. Zur näheren Erläuterung wird auf die Beschreibung zu dem Verfahren verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Blockansicht eines Leistungsreduzierungsmoduls für die Windenergieanlage gemäß 1;
3 eine Detailansicht zu einem Überblendmodul des Leistungsreduziermoduls gemäß 2;
4 ein Diagramm mit zwei Kennlinien zur Pitchverstellung;
5 ein Diagramm zur Visualisierung des Potenzials der Leistungsreduktion; und
6 ein Diagramm, welches einen Ausschnitt eines praktischen Falls der Leistungsreduktion darstellt.
Eine Windenergieanlage, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst einen Turm 10, auf dessen oberen Ende eine Gondel 13 in Azimutrichtung verschwenkbar angeordnet ist. Ein Windrotor 11 mit mehreren daran angeordneten Rotorblättern 12 ist drehbar an einer Stirnseite der Gondel 13 vorgesehen. Über eine Rotorwelle treibt er einen Generator 14 mit einem Umrichter 15 an zur Erzeugung elektrischer Leistung. Ferner ist in der Gondel 13 eine Steuerung 2 für den Betrieb der Windenergieanlage 1 vorgesehen. Die Windenergieanlage 1 ist vorzugsweise in einem Windpark mit mehreren anderen Windenergieanlagen 1, 1’, 1’’ angeordnet, die über ein parkinternes Netz 9 untereinander und mit einem Parkmaster 5 verbunden sind. Die einzelne Windenergieanlage 1 ist hierbei über eine Anschlussleistung 19 im parkinternen Netz 9 verknüpft. Darüber wird die elektrische Leistung abgegeben wie auch Kommunikationssignale von und zur Windenergieanlage 1 bzw. dem Parkmaster 5 geführt.
Der Windrotor 11 weist mehrere Rotorblätter 12 auf. Sie sind verstellbar an einer Nabe des Windrotors 11 angeordnet, so dass sie bezüglich ihres Anstellwinkels φ verstellt werden können. Die Verstellung geschieht durch Verdrehen der Rotorblätter 12 um ihre Längsachse (in 1 gestrichelt dargestellt) mittels eines Pitchsystems 21.
Die Steuerung 2 dient zum Betrieb der Windenergieanlage anhand vorgegebener Parameter, die direkt an die Windenergieanlage 1 angelegt sind oder von dem Parkmaster 5 bzw. von einer übergeordneten Instanz, beispielsweise einem Betreiber (nicht dargestellt) eines Übertragungsnetzes, an die Windenergieanlage 1 bzw. den Windpark angeschlossen sind. Erfindungsgemäß vorgesehen ist für die Steuerung 2 eine Begrenzungseinheit 3. Alternativ zur dezentralen Anordnung an der Windenergieanlage 1 kann die Begrenzungseinheit 3 auch am Parkmaster 5 vorgesehen sein (s. gestrichelte Darstellung der Begrenzungseinheit 3’).
Zur Erläuterung des Aufbaus und Funktionsweise der Begrenzungseinheit 3 wird nun Bezug genommen auf 2. Vorgesehen ist ein Vorgabeglied 31, welches eine Leistungsreserve anhand bestimmter Eingangsparameter festlegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestimmung der Reserve abhängig von einer Netzfrequenz im Netz 9. Hierbei werden ein Wert für die tatsächlich im Netz 9 herrschende Frequenz als Parameter f_i und ein Wert für die Nominalfrequenz f_N als Referenzparameter angelegt. Weiter angelegt wird ein Wert für eine bei der Nominalfrequenz f_N bereitzuhaltende Leistungsreserve (Reduktionswert R₀). Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies als eine Look-up-Tabelle ausgeführt. Sie umfasst mehrere Modi, die durch ihre jeweiligen Eckwerte gekennzeichnet sind. Ein erster Modus besteht in einer linearen Reduktion bis zu einem Reduktionswert R₀, und beginnt bei einem Frequenzwert deutlich unterhalb der Nominalfrequenz f_N (Stützstelle A), und noch keinerlei Reduktion, also voller Leistung (Stützstelle A) absinkend auf einen voreinstellbaren Reduktionswert R₀, welcher bei einer geringen Unterfrequenz erreicht ist (Stützstelle B). Die Stützstelle B markiert die untere Grenze eines Toleranzbandes, welche sich erstreckt bis zu einem Frequenzwert etwas oberhalb der Nominalfrequenz an f_N bei gleichbleibendem Reduktionsgrad (Stützstelle C). Bei darüberliegenden Frequenzen beginnt ein Überfrequenzbereich, in welchem die Windenergieanlage 1 die Leistungsabgabe weiter beträchtlich reduziert bis zum Reduktionswert R₁ (Stützstelle D). Wird dieser Wert erreicht, liegt eine so bedeutende Überfrequenz vor, dass die Windenergieanlage schließlich abgeschaltet wird.
Ein so von dem Vorgabeglied 31 ermittelter Wert für die Reduktionsleistung R_P wird schließlich ausgegeben und an eine Summationsstelle 32 angelegt. An die Summationsstelle 32 ist ferner angelegt ein Signal für eine verlangte (vom Parkmaster 5 bzw. von extern) Leistungsbegrenzung R_D, und zwar mittels einer Signalleitung 30. Durch Verknüpfung beider Werte wird von der Summationsstelle 32 ein Wert für eine aktuelle Reserveleistung ausgegeben, der bezeichnet ist als ein Reduktionsgrad r. Dieser Wert r wird nicht unmittelbar verwendet zur Verringerung der mittels des Windrotors 11 aus dem Wind gewonnenen mechanischen Leistung, sondern wird erfindungsgemäß einem nichtlinearen Mischmodul 4 zugeführt.
Das Mischmodul 4 dient dazu, einen Sollwert für einen Anstellwinkel φ der Rotorblätter 12 anhand mehrerer, im dargestellten Ausführungsbeispiel zweier Eingangssignale sowie einem Steuersignal zu bestimmen. Üblicherweise ist es so, dass ein von der Pitch-Verstelleinrichtung einzustellender Anstellwinkel φ der Rotorblätter 12 bestimmt wird in Abhängigkeit von einer Schnelllaufzahl λ. Die Schnelllaufzahl λ ist definiert als ein Verhältnis zwischen der Umlaufgeschwindigkeit der Rotorblätter 12 (gemessen an der Blattspitze) zur Windgeschwindigkeit, die auf den Windrotor 11 wirkt. Typischerweise wird beginnend vom Einschalten der Windenergieanlage bei verhältnismäßig geringen Windgeschwindigkeiten bis hin zu einer bestimmten Rotordrehzahl (Nenndrehzahl) der Anstellwinkel φ konstant gehalten, so dass in der Folge die Drehzahl des Windrotors 11 sich proportional verhält zur Windgeschwindigkeit v. Oberhalb der Nenndrehzahl wird der Anstellwinkel φ kontinuierlich verstellt, so dass die Drehzahl n des Windrotors 11 im Wesentlichen konstant bleibt (nämlich bei der Nenndrehzahl). Die Drehzahl des Windrotors 11 steigt also nicht mehr länger proportional mit der Windgeschwindigkeit v an. Die Schnelllaufzahl λ verringert sich daher mit zunehmender Windstärke.
Die entsprechende Kennlinie für den Zusammenhang zwischen Pitchwinkel φ und der Schnelllaufzahl λ ist in 4 (mit durchgezogener Linie) dargestellt und ist in dem Block 36 (2) implementiert. Dem Block 36 vorgeschaltet ist ein Schätzglied 33 für die Schnelllaufzahl λ. Es bestimmt einen geglätteten Wert für die Schnelllaufzahl λ, beispielsweise anhand von Parametern für die abgegebene Leistung P, die Drehzahl n des Windrotors 11 sowie einem Maß für den aktuell eingestellten Anstellwinkel φ. Aus der somit mittels des Schätzglieds 33 geglätteten Schnelllaufzahl λ, die an einen Eingang 34 des Kennlinienblocks 36 angelegt ist, wird auf an sich bekannte Weise ein Sollwert φ’ für den Anstellwinkel der Rotorblätter 12 bestimmt. Dieser wird an einem Ausgang 38 des Kennlinienblocks 36 bereitgestellt und an einem Eingang des Mischmoduls 4 angelegt.
Erfindungsgemäß wird mittels desselben Werts λ für die geglättete Schnelllaufzahl ein zweiter Sollwert φ* bestimmt, und zwar anhand einer zweiten Kennlinie. Bei der zweiten Kennlinie handelt es sich um eine Reduktionskennlinie, bei der eine geringere Leistung als bei der ersten Kennlinie abgegeben wird, und zwar geringer um den Betrag der gewünschten Leistungsreserve (ausgedrückt durch den Reduktionsgrad R₀). Die zweite, um den Reduktionsgrad R₀ verringerte Kennlinie ist in 4 mit gestrichelter Linie dargestellt. Anhand desselben Werts für die Schnelllaufzahl λ wird mittels des Block 37 unter Zugrundelegung der gestrichelt dargestellten zweiten Kennlinie ein zweiter Sollwert φ* ermittelt, an deren Ausgang 39 ausgegeben und am zweiten Eingang des Mischmoduls 4 angelegt. Die im Block 37 implementierte Kennlinie ist (mit gestrichelter Linie) in 4 dargestellt. Die Sollwerte φ’ und φ* gemäß der ersten bzw. zweiten Kennlinie sind die beiden Werte, zwischen denen das Mischmodul 4 mischt, und zwar anhand des an ihn angelegten Werts r für den aktuellen Reduktionsgrad. Daraus bestimmt das Mischmodul 4A einen Sollwert φ_S für den Anstellwinkel, der zwischen den beiden Werten φ’ und φ* liegt.
Das Mischmodul 4 ist näher dargestellt in 3. An seinem Steuereingang 40 ist der Wert für den Reduktionsgrad r angelegt, welcher das Mischungsverhältnis bestimmt. Gemischt wird hierbei – wie vorstehend bereits erwähnt – zwischen den beiden Linienverläufen (gemäß 4), wie sie durch die für den Normalbetrieb gültige erste Kennlinie in Block 36 und die für den reduzierten Betrieb mit Leistungsreserve gültige zweite Kennlinie in Block 37 dargestellt sind. Das Mischmodul 4 ist dabei so ausgebildet, dass die beiden Kennlinien in einem nicht-linearen Verhältnis zueinander gemischt werden. Vorgesehen ist dazu ein Quadratwurzelblock 41, der einen Quadratwurzelwert für den Reduktionsgrad r bestimmt. Dieser Quadratwurzelwert ist über eine erste Signalleitung 45 angelegt an einen als erstes Gewichtungsglied 47 fungierenden Multiplikator, an dessen anderem Eingang der von dem Kennlinienblock 37 bereitgestellte Sollwert für den reduzierten Pitchwinkel φ* gemäß der zweiten, reduzierten Kennlinie angelegt ist. Dieser Sollwert wird mit dem über die Signalleitung 45 angelegten Faktor gewichtet. Dieser gewichtete Wert wird an einen Eingang eines Summationsglieds 48 angelegt. Ferner wird der von dem Block 41 ermittelte Quadratwurzelwert das Reduktionsverhältnis r an ein Komplementglied 42 angelegt, welches einen Komplementwert mittels einer Differenzrechnung zu 1 bildet. Dieser Komplementwert wird über eine Signalleitung 44 angelegt an einen weiteren Multiplikator, der als zweites Gewichtungsglied 46 fungiert. Dieser wichtet den von dem ersten Kennlinienblock 36 bereitgestellten Wert für einen Pitchwinkel φ’ gemäß der ersten Kennlinie. Der somit gewichtete Wert wird an einen anderen Eingang des Summationsglieds 48 angelegt. Der vom Summationsglied 45 gebildete Summenwert φ_S(r) wird an dem Ausgang 49 des Mischmoduls 4 ausgegeben und schließlich als einzustellender Sollwert an die Pitchsteuerung 21 des Windrotors 11 angelegt.
Das Mischmodel 4 bewirkt damit eine nichtlineare, nämlich einer Wurzelfunktion folgende Überblendung zwischen der Kennlinie für den normalen Betrieb mit voller Leistung (ohne Reserve) einerseits und der zweiten Kennlinie für den Betrieb mit reduzierter Leistung, also bereitgestellter Reserve, andererseits. Ist beispielsweise für die Leistungsreserve ein Reduktionswert R₀ von 4 % vorgesehen (definiert durch Stützstelle B in dem Vorgabeglied 31), so ist die Kennlinie in dem Kennlinienblock 37 entsprechend dafür ausgelegt. Liegt die Frequenz im Netz 9 im Bereich des Toleranzbands (zwischen den Stützstellen B und C in dem Vorgabeglied 31), so beträgt der Reduktionsgrad für die von der Windenergieanlage abgehende Leistung jene 4%, so dass die volle Reserve zur Verfügung gestellt wird. Der Reduktionsgrad r ist in diesem Fall 1 und es wird der Pitchwinkel entsprechend der zweiten Kennlinie allein zur Bestimmung des Sollwerts φ_S verwendet. Tritt aber beispielsweise nun eine Situation ein, welche eine teilweise Mobilisierung der Reserve erfordert, beispielsweise eine Unterfrequenz genau zwischen den beiden Stützstellen A und B, so wird die Reduktion gemäß dem Vorgabeglied 31 halbiert. Der Reduktionsgrad r beträgt also 0,5. Erfindungsgemäß wird nunmehr zwischen den beiden in den Kennblöcken 36 und 37 implementierten Kennlinien übergeblendet, und zwar geschieht dies in der dargestellten Ausführungsform mittels der Wurzelfunktion. Dabei wird der Pitchwinkel gemäß der in Block 37 implementierten Reduktionskennlinie zu √0,5 = 0,707 aus der Reduktionskennlinie gemäß Block 37 und entsprechend komplementär zu 1 – √0,5 = 0,293 aus der ersten Kennlinie gemäß Block 36 bestimmt. Mit dieser nicht-linearen Überblendung unter Nutzung der Wurzelfunktion wird ein sanftes Überblenden erreicht, das insbesondere der Erkenntnis Rechnung trägt, dass die Windenergieanlage bei kleinen Einstellwinkeln weniger sensibel reagiert.
Der somit durch die erfindungsgemäße Überblendung unter Nutzung des Mischmoduls 4 bestimmte Sollwert für den Pitchwinkel φ_S wird an die Pitchsteuerung 21 angelegt, welche entsprechend die Pitchwinkel φ der Rotorblätter 12 auf an sich bekannte Weise einstellt.
Das mit der Erfindung erreichte Betriebsverhalten ist in 5 und 6 dargestellt. In 6 ist mit durchgezogener Linie dargestellt ein angeforderter Reduktionswert R₀. Dieser ändert sich über der Zeit beginnend von 0% bei T = 50s und ansteigend wird er bis 2,5% bei etwas T = 320s und wiederum absinkend von diesem Wert bei T = 400s sinkt es wiederum auf 0 bei T = 700s. Der tatsächlich erreichte Reduktionsgrad r ist mittels der gestrichelten Linie visualisiert. Man erkennt, wie der tatsächlich eingestellte zwar mit gewissen Abweichungen, jedoch im Mittel recht genau dem eingestellten Reduktionsgrad folgt: Auffällig ist insbesondere, dass die Abweichungen besonders gering sind bei kleinen Reduktionsgraden. Damit wird die gewünschte Verbesserung des Übergangsverhaltens insbesondere zum Volllastbetrieb erreicht.
Das grundsätzliche Konzept der Leistungsreduktion zur Bereitstellung von Reserveleistungen ist in 5 erläutert. Hier ist dargestellt die an sich nicht planbare, vom Wind abhängige Leistungseinspeisung P einer Windenergieanlage über der Zeit t. Man erkennt, wie die aus dem Wind entnehmbare und einzuspeisende Leistung (dargestellt mit durchgezogener Linie) über der Zeit stark variiert. Für jeweils zwei Zeitabschnitte, die in der 5 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet sind, wird die Bereitstellung von Reserveleistungen verlangt. Das bedeutet, dass die Windenergieanlage weniger Leistung abgibt (siehe gestrichelte Linie), als sie an sich auf Grund der Windbedingungen (durchgezogene Linie) könnte. Der dazwischen liegende Bereich (schraffiert) steht als Reserveleistung zur Verfügung und kann auf Abruf oder bei Auftreten bestimmter Parameter (beispielsweise einer Unterfrequenz) jederzeit verfügbar gemacht werden, und zwar unabhängig davon, ob der Wind gerade stark oder schwach weht.
An dem Parkmaster 5 ist ferner noch ein Eingang für eine angeforderte Reduzierung der Parkleistung R_E vorgesehen. Auf diese Weise kann eine übergeordnete Instanz, wie beispielsweise der Betreiber des Übertragungsnetzes, dem Windpark eine Leistungsverringerung von extern aufgeben. Der Parkmaster 5 kann dann die einzelne Windenergieanlagen 1, 1’, 1’’ des Windparks entsprechend reduziert ansteuern, oder einfach entsprechende interne Reduktionssignale an die Windenergieanlagen 1, 1’, 1’’ ausgeben, und zwar über deren Eingang R_D 30. Dann wird wie in der vorstehend beschriebenen Weise die Leistungsreduzierung durchgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/025026 A1 [0003]
DE 102011081795 A1 [0004]
WO 2010/000648 A2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Prillwitz, F. et al.: Primärregelung mit Windkraftanlagen, ITG-Workshop „Neue dezentrale Versorgungsstrukturen“, Februar 2003, Frankfurt/Main [0004]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer Leistungsreserve beim Betrieb von Windenergieanlagen, die einen von einem Windrotor (11) angetriebenen Generator (14) zur Abgabe elektrischer Leistung sowie eine Steuerung (2) dafür aufweisen, welche eine erste Kennlinie (36) für einen Zusammenhang zwischen Schnelllaufzahl des Windrotors (11) und Anstellwinkel seiner Rotorblätter (12) sowie einen Eingang (30) für eine gewünschte Leistungsreduktion aufweist, mit den Schritten – Implementieren einer zweiten Kennlinie (37) mit abweichenden Anstellwinkeln für einen suboptimalen Betrieb, so dass eine vorbestimmte Leitungsreduktion erreicht ist, – Verwenden der zweiten Kennlinie (37) für die Steuerung (2), wenn Reserveleistung (Bereitstellungsbetrieb) bereitgestellt werden soll, und – beim Anfordern von Reserveleistung (Aktivbetrieb) der Anstellwinkel berechnet wird mittels einer Mischung der zweiten Kennlinie (37) und der ersten Kennlinie (36), und zwar mittels eines Mischmoduls (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischmodul (4) zwischen den beiden Werten für die Anstellwinkel überblendet in der Weise, dass die errechneten Werte für die Anstellwinkel zueinander gewichtet werden, wobei die Gewichtung insbesondere nicht linear ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung der beiden Anstellwinkel mittels einer Wurzelfunktion erfolgt, insbesondere mittels einer Quadratwurzelfunktion.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kennlinie (37) abhängig von einer einstellbaren Leistungsreserve bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für jede eingestellte Leistungsreserve eine eigene, weitere Kennlinie (37) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere Leistungsreserven nur für eine der Leistungsreserven eine Kennlinie bestimmt ist und für die übrigen Leistungsreserven interpoliert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überfrequenz eine übergroße Leistungsreduktion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsreserve als ein Anteil der aktuell abgegebenen Leistung der Windenergieanlage (1) bestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Leistungsreserve und des Überblendens zentral, vorzugsweise bei einem Parkmaster (5), erfolgt für mehrere Windenergieanlagen (1, 1’, 1’’).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil der Windenergieanlagen (1, 1’, 1’’) eines Windparks vom Parkmaster (5) entsprechend gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berücksichtigen einer Obergrenze für die abgegebene Leistung.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Vorgeben der Obergrenze von extern.
Verfahren zum Betreiben eines Windparks umfassend einen Parkmaster (5) und eine Mehrzahl von Windenergieanlagen (1, 1’, 1’’), die einen von einem Windrotor (11) angetriebenen Generator (14) zur Abgabe elektrischer Leistung sowie eine Steuerung (2) dafür aufweisen, welche eine erste Kennlinie (36) für einen Zusammenhang zwischen Schnelllaufzahl des Windrotors (11) und Anstellwinkel seiner Rotorblätter (12) sowie einen Eingang (30) für eine gewünschte Leistungsreduktion aufweist, mit den Schritten – Implementieren einer zweiten Kennlinie (37) mit abweichenden Anstellwinkeln für einen suboptimalen Betrieb, so dass eine vorbestimmte Leitungsreduktion erreicht ist, – Verwenden der zweiten Kennlinie (37) für die Steuerung (2), wenn Reserveleistung (Bereitstellungsbetrieb) bereitgestellt werden soll, und – beim Anfordern von Reserveleistung (Aktivbetrieb) der Anstellwinkel berechnet wird mittels einer Mischung der zweiten Kennlinie (37) und der ersten Kennlinie (36), und zwar mittels eines Mischmoduls.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es nach einem der Ansprüche 2 bis 12 weitergebildet ist.
Windenergieanlage mit einem von einem Windrotor (11) angetriebenen Generator (14) zur Abgabe elektrischer Leistung sowie einer Steuerung (2), welche eine erste Kennlinie (36) für einen Zusammenhang zwischen Schnelllaufzahl des Windrotors (11) und Anstellwinkel seiner Rotorblätter (12) sowie einen Eingang für eine gewünschte Leistungsreduktion aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2) weiter ein Modul für eine zweite Kennlinie (39), welche abweichende Anstellwinkel für einen suboptimalen Betrieb implementiert hat, und ein Mischmodul (4) vorgesehen ist, an das der erste Kennlinienblock (36) sowie der zweite Kennlinienblock (37) angeschlossen sind und das dazu ausgebildet ist, bei Anforderung von Reserveleistung die Anstellwinkel zu berechnen mittels einer Überblendung zwischen der zweiten Kennlinie und der ersten Kennlinie.
Windenergieanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 12 weitergebildet ist.
Windpark umfassend einen Parkmaster (5) sowie eine Mehrzahl von Windenergieanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlagen nach einem der Ansprüche 15 oder 16 weitergebildet sind.