DE102015120126A1

DE102015120126A1 - System und Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102015120126A1
Application number: DE102015120126.7A
Authority: DE
Inventors: Igor Berroteran; Werner Gerhard Barton; Anthony Michael Klodowski
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: GENERAL ELECTRIC RENOVABLES ESPANA, S.L., ES
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US20160146191A1; CA2912342C; US9828971B2; CA2912342A1

Abstract

System und Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage sind offenbart. In einem Aspekt enthält das Verfahren ferner Ermitteln einer Abgriffstellung eines Stufenschalters, der zwischen dem Stromnetz und einer Primärwicklung eines Transformators angeordnet ist, mittels einer Konvertersteuereinrichtung eines Leistungswandlers. Ein weiterer Schritt beinhaltet Berechnen einer Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung mittels der Konvertersteuereinrichtung. Das Verfahren beinhaltet ferner Durchführen eines Steuerungsvorgangs mittels der Konvertersteuereinrichtung, falls die Primärspannung oder eine gemessene Sekundärspannung einer Sekundärwicklung des Transformators außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Windkraftanlagen und spezieller ein System und ein Verfahren zur Optimierung eines Windkraftanlagenbetriebs mittels eines Stufenschalters.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Windkraft wird als eine der saubersten und umweltfreundlichsten Energiequellen erachtet, die gegenwärtig verfügbar sind, und Windkraftanlagen finden in dieser Hinsicht zunehmend Beachtung. Eine moderne Windkraftanlage enthält gewöhnlich einen Turm, einen Generator, ein Getriebe, eine Gondel und einen Rotor, der ein oder mehrere Rotorblätter aufweist. Die Rotorblätter wandeln Windenergie in ein mechanisches Drehmoment um, das mittels des Rotors einen oder mehrere Generatoren antreibt. Die Generatoren werden gelegentlich, jedoch nicht immer, über das Getriebe mit dem Rotor drehgekuppelt. Das Getriebe übersetzt die naturgemäß niedrige Drehzahl des Rotors für den Generator aufwärts, um die mechanische Wellenleistung wirkungsvoll in elektrische Leistung umzuwandeln, die über wenigstens eine elektrische Verbindung in ein Versorgungsnetz eingespeist wird. Solche Anordnungen können auch Frequenzwandler enthalten, die genutzt werden, um eine Frequenz einer erzeugten elektrischen Leistung in eine Frequenz zu überführen, die im Wesentlichen gleich der Versorgungsnetzfrequenz ist.
Nachhaltige Energieerzeugungskraftanlagen, z.B. die oben beschriebene Windkraftanlage, enthalten gewöhnlich einen Leistungswandler mit einem geregelten Gleichstromverbindungselement, das durch eine Konvertersteuereinrichtung geregelt wird. Spezieller enthalten windbetriebene doppeltgespeiste Induktionsgenerator(DFIG)-Systeme oder Volllastwandlersysteme gewöhnlich einen Leistungswandler mit einer AC-DC-AC-Topologie. Für viele Windkraftanlagen ist der Betriebsbereich, und folglich der Wert für den Kunden, durch Maximalspannungen für eine oder mehrere für DFIG-Systeme spezifische Windkraftanlagenkomponenten beschränkt. Beispielsweise kann es unter einigen Betriebsbedingungen erforderlich sein, dass die Windkraftanlage dem Stromnetz Blindleistung bereitstellt, die sekundäre Transformatorwicklungen, an die der Leistungswandler angeschlossen ist, möglicherweise Überspannungsbedingungen unterwerfen kann. Wenn der Leistungswandler Blindleistung bereitstellt, kann die sich ergebende Spannung daher einen spezifizierten maximalen Dauerbetriebsspannungspegel überschreiten.
Um derartige Überspannungsbedingungen zu mildern, ist die Konvertersteuereinrichtung in der Lage, den Leistungsfaktor von den von dem Kunden geforderten eingestellten Werten wegzuschieben; dies ist jedoch nicht immer optimal. Weiter sind derartige Beschränkungen gewöhnlich wichtiger für DFIG-Generatoren, die bei einem hohen Nenn-Schlupf (U/min) arbeiten, oder für Generatoren, die eine Drehzahlüberschreitungsbedingung erfahren.
Daher suchen Techniker ständig nach neuen Systemen und Verfahren zur Optimierung eines Windkraftanlagenbetriebs für den Kunden, während Spannungspegel gleichzeitig innerhalb spezifizierter Betriebsgrenzen gehalten werden. Dementsprechend betrifft die vorliegende Offenbarung ein System und Verfahren zur Optimierung eines Windkraftanlagenbetriebs mittels eines Stufenschalters, der dem Stromnetz gestattet, dem Leistungswandler die gesamte verfügbare Blindleistung zu entziehen, ohne Überspannungsbedingungen zu erzeugen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Vorteile der Erfindung werden zum Teil in der folgenden Beschreibung erörtert, können sich offensichtlich aus der Beschreibung ergeben oder können durch die Praxis der Erfindung erfahren werden.
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Beschreibung ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage. Das Verfahren enthält das Ermitteln einer Abgriffstellung eines Leistungswandlers für einen Stufenschalter, der zwischen dem Stromnetz und einer Primärwicklung des Transformators angeordnet ist, mittels einer Konvertersteuereinrichtung. Ein weiterer Schritt des Verfahrens kann ferner das Berechnen einer Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung mittels der Konvertersteuereinrichtung enthalten. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchführen eines Steuerungsvorgangs mittels der Konvertersteuereinrichtung, falls die Primärspannung oder eine gemessene Sekundärspannung einer Sekundärwicklung des Transformators außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
Das Verfahren kann ferner das Verknüpfen der Abgriffstellung mit einer entsprechenden Übersetzungsverhältniskorrektur aufweisen.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann ferner das Berechnen der Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Übersetzungsverhältniskorrektur beinhalten.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann ferner das Berechnen der Primärspannung als Funktion von einem oder mehreren von folgendem aufweisen: einem Sekundärwicklungsspannungsabfall, einer Sekundärwicklungsinduktivität, einer Konverterinduktivität, einem oder mehreren Sekundärwicklungsströmen, einer Primärwicklungsinduktivität, einer Frequenz oder einer Transformatorimpedanz.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass das Durchführen des Steuerungsvorgangs ferner elektrisches Trennen der Windkraftanlage von dem Stromnetz aufweist.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass das elektrische Trennen der Windkraftanlage von dem Stromnetz ferner das Bereitstellen einer Unterbrechungsvorrichtung zwischen der Windkraftanlage und dem Stromnetz und Öffnen der Unterbrechungsvorrichtung aufweist, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass die Unterbrechungsvorrichtung wenigstens eines von einer Mittelspannungsschaltvorrichtung, einem Trennschalter, einem Netzschütz oder einem Synchronisierungsschalter beinhaltet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass der Stufenschalter einen Stufenschalter unter Last beinhaltet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass die Windkraftanlage einen windbetriebenen doppeltgespeisten Induktionsgenerator (DFIG) aufweist.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass der Transformator einen dreiphasigen Transformator beinhaltet.
In einer Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Berechnens der Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung ferner das Verknüpfen der Abgriffstellung mit einer entsprechenden Übersetzungsverhältniskorrektur. Somit kann das Verfahren in zusätzlichen Ausführungsformen außerdem das Berechnen der Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Übersetzungsverhältniskorrektur beinhalten. In einer weiteren Ausführungsform gehört zu dem Verfahren ferner das Berechnen der Primärspannung als Funktion von einem oder mehreren von folgendem: einer Sekundärwicklungsinduktivität, einer Konverterinduktivität, einem oder mehreren Sekundärwicklungsströmen, einer Primärwicklungsinduktivität, einer Frequenz oder einer Transformatorimpedanz.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung eines Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage kann das Verfahren aufweisen: das Bereitstellen eines Stufenschalters zwischen einem Stromnetz und einer Primärwicklung des Transformators; in Reaktion auf eine überwachte Spannung, die außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, Ändern einer Abgriffstellung des Stufenschalters, wobei das Ändern einer Abgriffstellung des Stufenschalters eine Änderung einer Sekundärspannung einer zweiten Wicklung des Transformators bewirkt; das Berechnen der Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung mittels einer Konvertersteuereinrichtung; und das Steuern der Windkraftanlage auf der Grundlage von mindestens der Primärspannung oder der Sekundärspannung.
Das Verfahren kann ferner das Verknüpfen der Abgriffstellung mit einer entsprechenden Übersetzungsverhältniskorrektur beinhalten.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann ferner das Berechnen der Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Übersetzungsverhältniskorrektur aufweisen.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann ferner das Berechnen der Primärspannung als Funktion von einem oder mehreren von folgendem aufweisen: einer Sekundärwicklungsinduktivität, einer Konverterinduktivität, einem oder mehreren Sekundärwicklungsströmen, einer Primärwicklungsinduktivität, einer Frequenz oder einer Transformatorimpedanz.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass das Steuern der Windkraftanlage auf der Grundlage von mindestens der Primärspannung oder der Sekundärspannung zusätzlich das Durchführen eines Steuerungsvorgang mittels der Konvertersteuereinrichtung beinhaltet, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass das Durchführen des Steuerungsvorgangs ferner elektrisches Trennen der Windkraftanlage von dem Stromnetz aufweist.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass das elektrische Trennen der Windkraftanlage von dem Stromnetz ferner das Bereitstellen einer Unterbrechungsvorrichtung zwischen der Windkraftanlage und dem Stromnetz und Öffnen der Unterbrechungsvorrichtung beinhaltet, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass die Unterbrechungsvorrichtung wenigstens eines von einer Mittelspannungsschaltvorrichtung, einem Trennschalter, einem Netzschütz oder einem Synchronisierungsschalter beinhaltet.
Jedes der oben erwähnten Verfahren kann vorsehen, dass der Stufenschalter einen Stufenschalter unter Last beinhaltet.
Ein System zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage kann aufweisen: einen Stufenschalter, der zwischen einem Stromnetz und einer Primärwicklung eines Transformators betriebsmäßig verbunden ist, der mit dem Stromnetz verbunden ist, wobei der Stufenschalter dazu eingerichtet ist, die Abgriffstellungen automatisch zu wechseln; und eine Steuereinrichtung, die mit dem Transformator und dem Stufenschalter betriebsmäßig verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Arbeitsschritte durchzuführen, wobei der eine oder mehrere Arbeitsschritte aufweisen: Erhalten einer Abgriffposition von dem Stufenschalter, Berechnen einer Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung oder Messen einer Sekundärspannung einer Sekundärwicklung des Transformators, und Durchführen eines Steuervorgangs, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
In weiteren Ausführungsformen kann der Schritt des Durchführens des Steuerungsvorgangs ein elektrisches Trennen der Windkraftanlage von dem Stromnetz aufweisen. Spezieller kann der Schritt des elektrischen Trennens der Windkraftanlage von dem Stromnetz in einer Ausführungsform das Bereitstellen einer Unterbrechungsvorrichtung zwischen der Windkraftanlage und dem Stromnetz und ein Öffnen der Unterbrechungsvorrichtung aufweisen, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. In speziellen Ausführungsformen kann die Unterbrechungsvorrichtung eine Mittelspannungsschaltvorrichtung, einen Trennschalter, einen Netzschütz, einen Synchronisierungsschalter oder eine beliebige sonstige Vorrichtung enthalten.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Stufenschalter ein Stufenschalter unter Last sein. In zusätzlichen Ausführungsformen kann die Windkraftanlage einen windbetriebenen doppeltgespeisten Induktionsgenerator (DFIG) enthalten. In einer noch weiteren Ausführungsform kann der Transformator ein dreiphasiger Transformator oder ein beliebiger sonstiger Transformator sein, der eine beliebige Anzahl von Phasen aufweist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines Stufenschalters zwischen einem Stromnetz und einer Primärwicklung des Transformators. In Reaktion auf eine überwachte Spannung, die außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, beinhaltet das Verfahren ferner das Ändern einer Abgriffstellung des Stufenschalters, um eine Änderung (beispielsweise eine Abnahme) einer Sekundärspannung einer zweiten Wicklung des Transformators zu bewirken. Ein weiterer Schritt beinhaltet Berechnen der Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung mittels einer Konvertersteuereinrichtung. Das Verfahren enthält ferner das Steuern der Windkraftanlage auf der Grundlage von mindestens der Primärspannung oder der Sekundärspannung. Es sollte verständlich sein, dass das Verfahren auch beliebige der zusätzlichen Merkmale und/oder Schritte einschließen kann, wie sie hier mit Blick auf die unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben sind.
Beispielsweise kann der Schritt des Steuerns der Windkraftanlage auf der Grundlage von mindestens der Primärspannung oder der Sekundärspannung in vielfältigen Ausführungsformen ein Durchführen eines Steuerungsvorgangs mittels der Konvertersteuereinrichtung enthalten, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung einen vorbestimmten Spannungsschwellwert überschreitet.
In einem noch weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein System zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage. Das System enthält einen Stufenschalter, der zwischen einem Stromnetz und einer Primärwicklung eines Transformators betriebsmäßig verbunden ist, der mit dem Stromnetz verbunden ist, und eine Steuereinrichtung, die mit dem Transformator und dem Stufenschalter in Datenaustausch verbunden ist. Der Stufenschalter ist über eine Abgriffsteuereinrichtung oder die Konvertersteuereinrichtung dazu eingerichtet, die Abgriffstellungen entlang der Primärwicklung automatisch zu ändern. Beispielsweise enthält der Stufenschalter in manchen Ausführungsformen eine eigene Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage programmierter Vorgabewerte und/oder Rückmeldungen der eigenen Steuereinrichtung eine geeignete Abgriffstellung zu ermitteln. Darüber hinaus kann der Stufenschalter dazu eingerichtet sein, auf Rückmeldungen von Primär- oder Sekundärspannungen des Transformators zu reagieren. Weiter ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, einen oder mehrere Arbeitsschritte durchzuführen. In einer Ausführungsform beinhalten der eine oder mehrere Arbeitsschritte beispielsweise: Erhalten einer Abgriffposition von dem Stufenschalter, Berechnen einer Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung oder Messen einer Sekundärspannung der Sekundärwicklung, und Durchführen eines Steuervorgangs, falls die Primärspannung oder Sekundärspannung außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. Es ist selbstverständlich, dass das System auch beliebige der zusätzlichen Merkmale einschließen kann, wie sie hier mit Blick auf die unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben sind.
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche verständlicher. Die beigefügten Zeichnungen, die dieser Beschreibung einverleibt sind und einen Bestandteil davon bilden, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundzüge der Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständige und in die Praxis umsetzbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, die die beste Ausführungsart der Erfindung beinhaltet und sich an den Fachmann richtet, ist in der Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren unterbreitet, worin:
1 eine Ausführungsform einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Beschreibung veranschaulicht;
2 eine Ausführungsform eines elektrischen und Steuerungssystems für eine Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Beschreibung veranschaulicht;
3 in ein Blockdiagramm eine Ausführungsform einer Steuereinrichtung veranschaulicht, die in Verbindung mit der in 1 gezeigten Windkraftanlage genutzt werden kann;
4 eine Ausführungsform eines Systems zur Optimierung eines Windkraftanlagenbetriebs gemäß der vorliegenden Beschreibung veranschaulicht;
5 eine Ausführungsform eines Graphen der Spannung gegenüber der Zeit veranschaulicht, wenn der Stufenschalter inaktiv oder nicht vorhanden ist, gemäß der vorliegenden Beschreibung;
6 eine Ausführungsform eines Graphen der Spannung gegenüber der Zeit veranschaulicht, wenn der Stufenschalter aktiv ist, gemäß der vorliegenden Beschreibung; und
7 eine Ausführungsform eines Flussdiagramms eines Verfahrens zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage gemäß der vorliegenden Beschreibung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun im Einzelnen auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, wobei einige Beispiele derselben in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Sämtliche Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken. Der Fachmann wird ohne weiteres erkennen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Gegenstand oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, in Verbindung mit einer anderen Ausführungsform verwendet werden, um noch eine weitere Ausführungsform hervorzubringen. Die vorliegende Erfindung soll daher solche Modifikationen und Abweichungen abdecken, soweit diese in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche und deren äquivalenten Formen fallen.
Allgemein betrifft die vorliegende Beschreibung ein System und Verfahren zur Optimierung eines Windkraftanlagenbetriebs mittels eines Stufenschalters. Spezieller enthält das System in vielfältigen Ausführungsformen einen Transformator, der wenigstens Primär- und Sekundärwicklungen aufweist, einen Stufenschalter, der zwischen einem Stromnetz und der Primärwicklung des Transformators betriebsmäßig verbunden ist, und eine Konvertersteuereinrichtung, die mit dem Transformator und dem Stufenschalter in Datenaustausch verbunden ist. Beispielsweise kann der Stufenschalter in vielfältigen Ausführungsformen ein Stufenschalter unter Last sein, der dazu eingerichtet ist, die Abgriffstellungen mittels einer unabhängigen Abgriffsteuereinrichtung automatisch zu ändern. Weiter ist die Konvertersteuereinrichtung dazu eingerichtet, in Reaktion auf einen Befehl, dem Stromnetz Blindleistung bereitzustellen, eine Abgriffstellung von dem Stufenschalter zu erhalten, eine Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung zu berechnen und/oder eine Sekundärspannung der Sekundärwicklung zu erfassen, und einen Steuerungsvorgang durchzuführen, falls die Primär- oder Sekundärspannung außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs, beispielsweise über einem Unterspannungsschwellwert oder unter einem Überspannungsschwellwert, liegt.
Die vorliegende Offenbarung weist viele Vorteile auf, die in dem Stand der Technik nicht vorhanden sind. Beispielsweise gestattet der Stufenschalter der Offenbarung dem Stromnetz, sämtliche verfügbare Blindleistung abzuziehen, ohne an dem Punkt der Turbinenverbindung, d.h. an der Sekundärwicklung, Überspannungsbedingungen zu erzeugen. Spezieller überwacht die Konvertersteuereinrichtung die berechnete Primärspannung und führt entsprechend Überspannungsschutzaktionen durch. Beispielsweise regulieren der Stufenschalter und das sich aus seinem Betrieb ergebende Verhältnis der wirksamen Wicklungen die Sekundärspannung unter Dauerbetriebsbedingungen (und schützen daher die unterschiedlichen Windturbinenkomponenten). Gleichzeitig stellt die Konvertersteuereinrichtung sicher, dass die berechnete Primärspannung sowohl unter Dauerbetriebs- als auch Einschwingbedingungen innerhalb sicherer Grenzen bleibt, indem sie die Windkraftanlage von dem Stromnetz trennt, falls die Primärspannung außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. Somit optimiert die vorliegende Offenbarung den Windkraftanlagenbetrieb in Zeiten, wenn die Leistung anspruchsvolle Bedingungen auferlegt, die andernfalls aufgrund von Spannungsbeschränkungen der Turbine nicht erreichbar wären.
Mit Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer exemplarischen Windkraftanlage 100 gemäß der vorliegenden Beschreibung. Die Windkraftanlage 100 weist eine Gondel 102 auf, in der ein (in 1 nicht gezeigter) Generator untergebracht ist. Die Gondel 102 ist an einem Turm 104 befestigt (wobei in 1 ein Abschnitt des Turm 104 gezeigt ist). Der Turm 104 kann eine beliebige geeignete Höhe haben, die den Betrieb der Windkraftanlage 100, wie hier beschrieben, ermöglicht. Die Windkraftanlage 100 hat ferner einen Rotor 106, der drei Rotorblätter 108 aufweist, die an einer drehbaren Nabe 110 befestigt sind. Alternativ kann die Windkraftanlage 100 eine beliebige Anzahl von Rotorblättern 108 aufweisen, um den Betrieb der Windkraftanlage 100, wie hier beschrieben, zu ermöglichen. In einer Ausführungsform enthält die Windkraftanlage 100 ein (in 1 nicht gezeigtes) Getriebe, das mit dem Rotor 106 und einem (in 1 nicht gezeigten) Generator betriebsmäßig verbunden ist.
2 veranschaulicht eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200, das im Zusammenhang mit der Windkraftanlage 100 verwendet werden kann. Wie gezeigt, weist der Rotor 106 Rotorblätter 108 auf, die mit der Nabe 110 verbunden sind. Der Rotor 106 weist ferner eine langsam laufende Welle 112 auf, die mit der Nabe 110 drehfest verbunden ist. Die langsam laufende Welle 112 ist mit einem Getriebe 114 verbunden, das dazu eingerichtet ist, die Drehzahl der langsam laufenden Welle 112 aufwärts zu übersetzen und diese Drehzahl auf eine schnell laufende Welle 116 zu übertragen. Das Getriebe 114 kann ein beliebiges geeignetes Übersetzungsverhältnis aufweisen, das den Betrieb der Windkraftanlage 100 ermöglicht, wie es hier beschrieben ist. In einer weiteren Abwandlung kann die Windkraftanlage 100 einen Direktantriebsgenerator enthalten, der unter Verzicht auf ein zwischengeschaltetes Getriebe mit dem Rotor 106 drehbar verbunden ist. Die schnelllaufende Welle 116 ist mit dem Generator 118 drehfest verbunden. In einer Ausführungsform kann der Generator 118 ein dreiphasiger, (asynchroner) doppelt eingespeister Induktionsgenerator (DFIG) mit bewickeltem Rotor sein, der einen Generatorstator 120 aufweist, der mit einem Generatorrotor 122 magnetisch gekoppelt ist. In einer abgewandelten Ausführungsform kann der Generatorrotor 122 anstelle von Rotorwicklungen mehrere Permanentmagnete aufweisen.
Der Generatorstator 120 kann ferner über einen Statorbus 208 mit einem Statorsynchronisierungsschalter 206 elektrisch verbunden sein. In einer Ausführungsform ist der Generatorrotor 122, um die DFIG-Konstruktion durchzuführen, über einen Rotorbus 212 mit einer bidirektionalen Leistungswandleranordnung 210 elektrisch verbunden mit. Alternativ kann der Generatorrotor 122 mit dem Rotorbus 212 über eine beliebige sonstige Vorrichtung elektrisch verbunden sein, die den Betrieb des elektrisches Regelungs-/Steuerungssystem 200 ermöglicht, wie es hier beschrieben ist. In einer weiteren Abwandlung ist das elektrische Regelungs-/Steuerungssystem 200 als ein (nicht gezeigtes) Volllastwandlersystem konstruiert, das eine Volllastwandleranordnung, die hinsichtlich Konstruktion und Betrieb der Leistungswandleranordnung 210 ähnelt, aufweist und mit dem Generatorstator 120 elektrisch verbunden ist. Die Volllastwandleranordnung ermöglicht eine Kanalisierung elektrischer Leistung zwischen dem Generatorstator 120 und einem (nicht gezeigten) elektrischen Leistungsübertragungs- und Verteilungsnetz. In einer Ausführungsform überträgt der Statorbus 208 Drehstrom von dem Generatorstator 120 zu dem Statorsynchronisierungsschalter 206. Der Rotorbus 212 überträgt Drehstrom von dem Generatorrotor 122 zu der Leistungswandleranordnung 210. In einer Ausführungsform ist der Statorsynchronisierungsschalter 206 über einen Systembus 216 mit einem Haupttransformatortrennschalter 214 elektrisch verbunden. In einer abgewandelten Ausführungsform werden anstelle des Haupttransformatortrennschalters 214 ein oder mehrere (nicht gezeigte) Sicherungen verwendet. In einer weiteren Ausführungsform werden weder die Sicherungen noch der Haupttransformatortrennschalter 214 verwendet.
In vielfältigen Ausführungsformen kann die Leistungswandleranordnung 210 ein Rotorfilter 218 aufweisen, das über den Rotorbus 212 mit dem Generatorrotor 122 elektrisch verbunden ist. Ein Rotorfilterbus 219 verbindet das Rotorfilter 218 elektrisch mit einem rotorseitigen Leistungswandler 220. Der rotorseitige Leistungswandler 220 ist elektrisch mit einem netzseitigen Leistungswandler 222 verbunden. Der rotorseitige Leistungswandler 220 und der netzseitige Leistungswandler 222 sind Leistungswandlerbrücken, die (nicht gezeigte) Leistungshalbleiter aufweisen. In einer Ausführungsform sind der rotorseitige Leistungswandler 220 und der netzseitige Leistungswandler 222 in einer dreiphasigen Pulsbreitenmodulations(PWM)-Anordnung angeordnet, die (nicht gezeigte) Schaltelemente mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) enthält, die wie aus dem Stand der Technik bekannt arbeiten. Alternativ kann der rotorseitige Leistungswandler 220 und der netzseitige Leistungswandler 222 eine beliebige Konstruktion aufweisen, die beliebige Schaltelemente verwendet, die den Betrieb des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 durchführen, wie es hier beschrieben ist. Die Leistungswandleranordnung 210 kann außerdem in elektronischem Datenaustausch mit der Turbinensteuereinrichtung 202 verbunden sein, um den Betrieb des rotorseitigen Leistungswandlers 220 und des netzseitigen Leistungswandlers 222 zu steuern.
Noch immer Bezug nehmend auf 2 kann ein netzseitiger Leistungswandlerbus 223 den netzseitigen Leistungswandler 222 mit einem Netzfilter 224 elektrisch verbinden. Darüber hinaus kann ein Leitungsbus 225 das Netzfilter 224 mit einem Netzschütz 226 elektrisch verbinden. Außerdem kann der Netzschütz 226 über einen Konvertierungsschaltkreisunterbrecherbus 230 mit einem Konvertierungsschaltkreisunterbrecher 228 elektrisch verbunden sein. Weiter kann der Konvertierungsschaltkreisunterbrecher 228 über den Systembus 216 und einen Verbindungsbus 232 mit dem Haupttransformatortrennschalter 214 elektrisch verbunden sein. Alternativ ist das Netzfilter 224 unmittelbar über den Verbindungsbus 232 mit dem Systembus 216 elektrisch verbunden und weist eine (nicht gezeigte) beliebige geeignete Schutzkonfiguration, die dazu eingerichtet ist, eine Entfernung des Netzschützes 226 und des Konvertierungsschaltkreisunterbrechers 228 von dem elektrischen Regelungs-/Steuerungssystem 200 zu berücksichtigen. Der Haupttransformatortrennschalter 214 kann über einen generatorseitigen Bus 236 mit einem elektrischen Leistungshaupttransformator 234 elektrisch verbunden sein. Weiter kann der Haupttransformator 234 über einen trennschalterseitigen Bus 240 mit einem Netztrennschalter 238 elektrisch verbunden sein. Der Netztrennschalter 238 kann über einen Leitungsbus 242 mit dem Übertragungs- und Verteilungsnetz elektrischer Leistung verbunden sein. Die drei Stromleitungen oder Anschlussleitungen, die die Zeichenfläche links in 2 verlassen, können einer Dreiphasennetzleitung entsprechen, wie es hier beschrieben ist. In einer abgewandelten Ausführungsform kann der Haupttransformator 234 über den trennschalterseitigen Bus 240 mit einer oder mehreren (nicht gezeigten) Sicherungen elektrisch verbunden sein, anstatt mit dem Netztrennschalter 238. In einer weiteren Ausführungsform werden weder die Sicherungen noch der Netztrennschalter 238 verwendet, sondern der Haupttransformator 234 kann vielmehr über den trennschalterseitigen Bus 240 und den Leitungsbus 242 mit dem elektrischen Leistungsübertragungs- und Verteilungsnetz verbunden sein.
In einer Ausführungsform ist der rotorseitige Leistungswandler 220 über ein einziges Gleichstrom(DC)-Verbindungselement 244 mit dem netzseitigen Leistungswandler 222 elektrisch verbunden. Alternativ sind der rotorseitige Leistungswandler 220 und der netzseitige Leistungswandler 222 über (nicht gezeigte) individuelle und gesonderte Gleichstromverbindungselemente elektrisch verbunden. In speziellen Ausführungsformen kann das Gleichstromverbindungselement 244 einen positiven Abgriff 246, einen negativen Abgriff 248 und mindestens einen Kondensator 250 aufweisen, der zwischen dem positiven Abgriff 246 und dem negativen Abgriff 248 geschaltet ist. Alternativ kann der Kondensator 250 einen oder mehrere Kondensatoren beinhalten, die zwischen dem positiven Abgriff 246 und dem negativen Abgriff 248 in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
Das elektrische Regelungs-/Steuerungssystem 200 kann ferner eine Konvertersteuereinrichtung 262 und eine übergeordnete Turbinensteuereinrichtung 202 enthalten. Mit speziellem Bezug auf 2 können die Steuereinrichtungen 202, 262 dazu eingerichtet sein, zumindest einen Teil der Betriebsvariablen, die der Windkraftanlage 100 zugeordnet sind, zu überwachen und zu steuern. Beispielsweise kann ein erster Satz der Sensoren 252 in einer Ausführungsform mit jeder der drei Phasen des Leitungsbusses 242 elektrisch verbunden sein. Alternativ können die Spannungs- und Stromsensoren 252 mit dem Systembus 216 elektrisch verbunden sein. In einer weiteren Abwandlung können die Spannungs- und Stromsensoren 252 mit einem beliebigen Abschnitt des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 elektrisch verbunden sein, der den Betrieb des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 ermöglicht, wie es hier beschrieben ist.
Als noch eine weitere Alternative sind die Steuereinrichtungen 202, 262 dazu eingerichtet, eine beliebige Anzahl von Spannungs- und Strom-Messwertsignalen von beliebig vielen Spannungs- und Stromsensoren 252 zu erhalten. Beispielsweise kann die Konvertersteuereinrichtung 262 in einer Ausführungsform von dem ersten Satz von Spannungs- und Stromsensoren 252, von einem zweiten Satz von Spannungs- und Stromsensoren 254, die in elektronischem Datenaustausch mit dem Statorbus 208 verbunden sind, von einem dritten Satz von Spannungs- und Stromsensoren 256, die mit dem Rotorbus 212 in elektronischem Datenaustausch verbunden sind und/oder von einem vierten Satz von Spannungs- und Stromsensoren 264, die mit dem Konvertierungsschaltkreisunterbrecherbus 230 in elektronischem Datenaustausch verbunden sind, Spannungs- und Strom-Messwertsignale erhalten. In einer Ausführungsform kann der zweite Satz von Spannungs- und Stromsensoren 254 im Wesentlichen dem ersten Satz von Spannungs- und Stromsensoren 252 ähneln, und der vierte Satz von Spannungs- und Stromsensoren 264 kann im Wesentlichen dem dritten Satz von Spannungs- und Stromsensoren 256 ähneln. Darüber hinaus kann die Konvertersteuereinrichtung 262 im Wesentlichen der Turbinensteuereinrichtung 202 ähneln und mit der Turbinensteuereinrichtung 202 in elektronischem Datenaustausch verbunden sein. Außerdem kann die Konvertersteuereinrichtung 262 in einer Ausführungsform in der Leistungswandleranordnung 210 physikalisch integriert sein. Alternativ kann die Konvertersteuereinrichtung 262 eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen, die den Betrieb des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 ermöglicht, wie er hier beschrieben ist.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 können die Konvertersteuereinrichtung 262 und/oder die Turbinensteuereinrichtung 202 einen oder mehrere Prozessor(en) 176 und zugeordnete Speichervorrichtung(en) 178 enthalten, die dazu eingerichtet sind, unterschiedliche computergestützte Funktionen und/oder Befehle durchzuführen (z.B. die Verfahren, Schritte, Berechnungen und dergleichen durchzuführen und wichtige Daten zu speichern, wie hierin offenbart). Wenn die Befehle durch den Prozessor 176 ausgeführt werden, können sie den Prozessor 176 veranlassen, Betriebsoperationen durchzuführen, beispielsweise Steuerbefehle an die unterschiedlichen Komponenten des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 auszugeben. Zusätzlich können die Steuereinrichtungen 202, 262 ferner ein Kommunikationsmodul 180 enthalten, um Datenkommunikationen zwischen den Steuereinrichtungen 202, 262 und den unterschiedlichen Komponenten des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 durchzuführen, beispielsweise beliebigen Komponenten in 2. Weiter kann das Kommunikationsmodul 180 eine Sensorschnittstelle 182 (beispielsweise einen oder mehrere A/D-Konverter) enthalten, um eine Umwandlung von Signalen, die von einem oder mehreren Sensoren 252, 254, 256, 264 gesendet werden, in Signale zu ermöglichen, die durch die Prozessoren 176 verstanden und verarbeitet werden können. Zu beachten ist, dass die Sensoren 252, 254, 256, 264 mit dem Kommunikationsmodul 180 unter Verwendung beliebiger geeigneter Mittel verbunden sein können. Beispielsweise sind die Sensoren 252, 254, 256, 264, wie in 3 gezeigt, mit der Sensorschnittstelle 182 über eine verdrahtete Verbindung verbunden. Allerdings können die Sensoren 252, 254, 256, 264 in anderen Ausführungsformen über eine drahtlose Verbindung mit der Sensorschnittstelle 182 verbunden sein, z.B. durch Nutzung eines beliebigen geeigneten aus dem Stand der Technik bekannten drahtlosen Kommunikationsprotokolls. An sich können die Prozessor 176 dazu eingerichtet sein, ein oder mehrere Signale von den Sensoren zu erhalten.
In dem hier verwendeten Sinne bezieht sich der Begriff "Prozessor" nicht nur auf integrierte Schaltkreise, die nach dem Verständnis der Fachwelt in einem Computer eingebaut sind, sondern bezieht sich auch auf eine Steuereinrichtung, einen Mikrocontroller, einen Mikrocomputer, eine programmierbare Logiksteuerung (Speicherprogrammierbare Steuerung), einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis und andere programmierbare Schaltungen. Der Prozessor 176 ist außerdem dazu eingerichtet, hochentwickelte Steueralgorithmen zu berechnen und mit unterschiedlichen Ethernet- oder seriell-begründeten Protokollen (Modbus, OPC, CAN und dergleichen) Daten auszutauschen. Zusätzlich können die eine (oder mehrere) Speichervorrichtung(en) 178 allgemein ein (oder mehrere) Speicherelement(e) aufweisen beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, von einem Computer auslesbare Medien (z.B. Direktzugriffsspeicher (RAM)), von einem Computer auslesbare nicht-flüchtige Medien (z.B. Flashmemorys), Disketten, Compact-Disk-Festspeicher (CD-ROM), magnetooptische Scheiben (MOD), Vielseitig verwendbare digitale Discs (DVD) und/oder andere geeignete Arbeitsspeicherelemente. Solche Speichervorrichtung(en) 178 können im Wesentlichen dazu eingerichtet sein, geeignete von einem Computer auslesbare Befehle zu speichern, die, wenn durch den (bzw. die) Prozessor(en) 176 durchgeführt, die Steuereinrichtung 202 konfigurieren, um die vielfältigen Funktionen durchzuführen, wie es hier beschrieben ist.
Im Betrieb trifft Wind auf die Rotorblätter 108, und die Blätter 108 wandeln Windenergie in ein mechanisches Drehmoment um, das die langsam laufende Welle 112 über die Nabe 110 in Drehung versetzt. Die langsam laufende Welle 112 treibt das Getriebe 114 an, das in der Folge die niedrige Drehzahl der langsam laufenden Welle 112 (aufwärts) übersetzt, um die schnelllaufende Welle 116 mit einer höheren Drehzahl anzutreiben. Die schnell laufende Welle 116 treibt den Generatorrotor 122 drehend an. Ein rotierendes Magnetfeld wird durch den Generatorrotor 122 induziert, und eine Spannung wird in dem Generatorstator 120 induziert, der mit dem Generatorrotor 122 magnetisch gekoppelt ist. Der Generator 118 wandelt die mechanische Rotationsenergie in ein sinusförmiges dreiphasiges Wechselstromenergiesignal in dem Generatorstator 120 um. Die zugeordnete elektrische Leistung wird über den Statorbus 208, den Statorsynchronisierungsschalter 206, den Systembus 216, den Haupttransformatortrennschalter 214 und den generatorseitigen Bus 236 zu dem Haupttransformator 234 übertragen. Der Haupttransformator 234 transformiert die Spannungsamplitude der elektrischen Leistung aufwärts, und die transformierte elektrische Leistung wird über den trennschalterseitigen Bus 240, den Netztrennschalter 238 und den Leitungsbus 242 zu einem Netz übertragen.
In einer Ausführungsform ist außerdem ein zweiter elektrischer Leistungsübertragungspfad bereitgestellt. Beispielsweise kann in dem Generatorrotor 122 dreiphasige sinusförmige Wechselspannung erzeugt und über den Rotorbus 212 zu der Leistungswandleranordnung 210 übertragen werden. Innerhalb der Leistungswandleranordnung 210 kann die elektrische Leistung zu dem Rotorfilter 218 übertragen werden, so dass die elektrische Leistung mit Blick auf die Änderungsrate der PWM-Signale, die dem rotorseitigen Leistungswandler 220 zugeordnet sind, modifiziert wird. Der rotorseitige Leistungswandler 220 wirkt als ein Gleichrichter und wandelt die sinusförmige dreiphasige Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die Gleichspannung wird in das Gleichstromverbindungselement 244 eingespeist. Der Kondensator 250 ermöglicht es, Spannungsamplitudenabweichungen des Gleichstromverbindungselements 244 auf ein Minimum zu reduzieren, indem eine der Wechselstromgleichrichtung zugeordnete Gleichstromwelligkeit gemildert (geglättet) wird.
Die Gleichspannung wird anschließend von dem Gleichstromverbindungselement 244 zu dem netzseitigen Leistungswandler 222 übertragen, und der netzseitige Leistungswandler 222 wirkt als ein Wechselrichter, der dazu eingerichtet ist, die von dem Gleichstromverbindungselement 244 stammende elektrische Gleichstromleistung in eine dreiphasige sinusförmige Wechselstromleistung mit vorbestimmten Spannungen, Strömen und Frequenzen umzuwandeln. Diese Umwandlung wird mittels der Konvertersteuereinrichtung 262 überwacht und geregelt. Die umgewandelt Wechselspannung wird von dem netzseitigen Leistungswandler 222 über den netzseitigen Leistungswandlerbus 223, den Leitungsbus 225, das Netzschütz 226, den Konvertierungsschaltkreisunterbrecherbus 230, den Konvertierungsschaltkreisunterbrecher 228 und den Verbindungsbus 232 zu dem Systembus 216 übertragen. Das Netzfilter 224 gleicht Oberwellenströme in der elektrischen Leistung, die von dem netzseitigen Leistungswandler 222 übertragen werden, aus oder passt sie an. Der Statorsynchronisierungsschalter 206 ist dazu eingerichtet, den Drehstrom von dem Generatorstator 120 an den Drehstrom der Leistungswandleranordnung 210 anzuschließen.
Der Konvertierungsschaltkreisunterbrecher 228, der Haupttransformatortrennschalter 214 und der Netztrennschalter 238 sind dazu eingerichtet, entsprechende Busse zu unterbrechen, beispielsweise, wenn ein übermäßiger Stromfluß die Komponenten des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 beschädigen könnte. Weiter können zusätzliche Schutzkomponenten bereitgestellt sein, beispielsweise das Netzschütz 226, das gesteuert sein kann, um eine Unterbrechung zu bilden, indem ein (in 2 nicht gezeigter) Schalter geöffnet wird, der jeder Leitung des Leitungsbusses 225 entspricht.
Mit Bezugnahme auf 4 ist eine Ausführungsform eines Systems 275 zur Optimierung des Betriebs der Windkraftanlage 100 veranschaulicht. Wie gezeigt, kann das System 275 bestehende Komponenten des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 nutzen. Alternativ kann das System 275 in das bestehende elektrische Regelungs-/Steuerungssystem 200 integriert sein. Spezieller enthält das System 275, wie in der veranschaulichten Ausführungsform gezeigt, den Haupttransformator 234 und mindestens einen Stufenschalter 270, der zwischen dem Stromnetz 260 und dem Transformator 234 betriebsmäßig verbunden ist. Der Haupttransformator 234 kann eine beliebige Anzahl von Wicklungen aufweisen, beispielsweise eine Primärwicklung 235 und eine oder mehrere Sekundärwicklungen 237, 239. An sich kann der Stufenschalter 270 zusammen mit der Primärwicklung 235 des Transformators 234 betriebsmäßig auf der Seite des Stromnetzes 260 angeordnet sein. In dem hier verwendeten Sinne bezeichnet ein Stufenschalter allgemein einen Verbindungpunktauswahlmechanismus entlang einer Leistungstransformatorwicklung, der ermöglicht, schrittweise eine variable Anzahl von Windungen auszuwählen. Somit kann ein Transformator erzeugt werden, der ein variables Windungsverhältnis aufweist, so dass eine stufenweise Spannungsregulierung des Ausgangs ermöglicht ist. Spezieller kann der Stufenschalter 270 in einer Ausführungsform ein Stufenschalter unter Last (OLTC) sein. Beispielsweise ist für viele Leistungstransformatoranwendungen eine Versorgungsunterbrechung während eines Stufenwechsels inakzeptabel. Daher sind Stufenschalter unter Last in der Lage, eine Abgriffstellung zu ändern, ohne die Stromversorgung zu unterbrechen. Darüber hinaus kann der Stufenschalter 270 eine Abgriffsteuereinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, die Abgriffstellungen automatisch zu ändern, während der Stufenschalter aktiv ist. Alternativ kann der Stufenschalter manuell betätigt werden, um Abgriffstellungen zu ändern.
Im Betrieb ist die Konvertersteuereinrichtung 262 dazu eingerichtet, Steuersignale von der Turbinensteuereinrichtung 202 zu erhalten. Beispielsweise wird die Turbinensteuereinrichtung 202 häufig die Leistungswandleranordnung 210 auffordern, dem Stromnetz 260 auf der Grundlage bestimmter Betriebsbedingungen einen Leistungspegel (beispielsweise eine Blindleistung) bereitzustellen. Die Steuersignale können auf erfassten Bedingungen oder Betriebscharakteristiken der Windkraftanlage 100 und des elektrischen Regelungs-/Steuerungssystems 200 und/oder auf einer oder mehreren unterschiedlichen Netzbedingungen begründet sein. Die erfassten Bedingungen oder Betriebscharakteristiken werden durch die Turbinensteuereinrichtung 202 aufgenommen und genutzt, um den Betrieb der Leistungswandleranordnung 210, beispielsweise mittels der Konvertersteuereinrichtung 262, zu steuern. Spezieller kann der Stufenschalter 270 in Ausführungsformen seine Abgriffstellung fortlaufend zu der Konvertersteuereinrichtung 262 übertragen. Weiter kann der Stufenschalter 270 in Reaktion auf einen Blindstrom (oder eine Netzspannungsänderung oder einen Wirkstrom), der bewirkt, dass sich die Transformatorsekundärspannung ändert, seine Abgriffstellung ändern. Die Konvertersteuereinrichtung 262 kann dann die Abgriffstellung einsetzen, um eine Primärspannung der Primärwicklung 235 zu berechnen. Spezieller ist die Konvertersteuereinrichtung 262 in manchen Ausführungsformen dazu eingerichtet, die Abgriffstellung in eine Übersetzungsverhältniskorrektur umzuwandeln. In einer Ausführungsform kann die Konvertersteuereinrichtung 262 beispielsweise eine oder mehrere Nachschlagetabellen, die darin gespeichert sind, enthalten, in der sämtliche möglichen Abgriffstellungen und entsprechende Übersetzungsverhältniskorrekturen enthalten sind. An sich kann die Konvertersteuereinrichtung 262 die Abgriffstellung erhalten und die Abgriffstellung einer entsprechenden Übersetzungsverhältniskorrektur zuordnen, die in die Berechnung der Primärspannung eingesetzt werden kann.
Beispielsweise kann die Konvertersteuereinrichtung 262 in speziellen Ausführungsformen die Primärspannung der Primärwicklung 235 als Funktion von einem oder mehreren von folgendem berechnen: einer Sekundärwicklungsinduktivität, einer Konverterinduktivität, einem oder mehreren Sekundärwicklungsströmen, einer Primärwicklungsinduktivität, einer Frequenz, oder einer Transformatorimpedanz. Wie in 4 gezeigt, können derartige Betriebsparameter über einen oder mehrere zusätzliche Strom- oder Spannungssensoren 268, 272, die dem bestehenden elektrischen Regelungs-/Steuerungssystem 200 hinzugefügt werden können, oder über einen der bestehenden Sensoren 252, 254, 256, 264 erhalten werden, wie es hier beschrieben ist. Spezieller kann die Konvertersteuereinrichtung 262 in einer Ausführungsform die Primärspannung der Primärwicklung 235 berechnen, indem mittels des Stroms, der durch die primäre Seite fließt, der Induktivität der Primärwicklung 235 und/oder der Frequenz ein Spannungsabfall der primären Seite berechnet wird. Da der Strom, der durch die Primärwicklung 235 fließt, gewöhnlich nicht unmittelbar gemessen wird, ist die Konvertersteuereinrichtung 262 dazu eingerichtet, den Gesamtstrom durch Addition der Ströme sämtlicher Sekundärwicklungen 237, 239 zu berechnen. Optional kann die Konvertersteuereinrichtung 262 in der Berechnung der Primärspannung auch den Spannungsabfall einer oder mehrerer der Sekundärwicklungen 237, 239 berücksichtigen. In solchen Ausführungsformen berechnet die Konvertersteuereinrichtung 262 den Spannungsabfall einer oder mehrerer der Sekundärwicklungen 237, 239 unter Verwendung der Induktivität der Sekundärwicklung, der Induktivität des Leistungswandlers 210 und des Stroms, der durch die Sekundärwicklungen 237, 239 fließt.
Somit kann die Primärspannung über den Spannungsabfall der primären Seite für sich genommen oder in Kombination mit dem Spannungsabfall einer oder mehrerer sekundärer Seiten berechnet werden. Beispielsweise berechnet die Konvertersteuereinrichtung 262 die Primärspannung in manchen Ausführungsformen durch Umrechnung (beispielsweise durch Multiplikation oder Division) des von der primären Seite (und optional von der sekundären Seite) stammenden Spannungsabfalls mit der Übersetzungsverhältniskorrektur, die der Abgriffstellungsnachschlagetabelle entnommen ist. Die sich ergebende Umrechnung kennzeichnet die berechnete Primärspannung der Primärwicklung 235.
Die Konvertersteuereinrichtung 262 berechnet fortlaufend die Primärspannung, während der Stufenschalter 270 so betätigt wird, dass die Steuereinrichtung 262 in der Lage ist, sicher zu stellen, dass die Primärspannung innerhalb sicherer Grenzen, d.h. in einem vorbestimmten Spannungsbereich, liegt. Falls die berechnete Primärspannung in dem vorbestimmten Spannungsbereich bleibt, arbeitet die Konvertersteuereinrichtung 262 weiter im Normalbetrieb. Falls die berechnete Primärspannung hingegen außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, ist die Konvertersteuereinrichtung 262 dazu eingerichtet, einen Steuerungsvorgang durchzuführen. Darüber hinaus kann die Konvertersteuereinrichtung 262 die Sekundärspannung der Sekundärwicklungen 237, 239 fortlaufend überwachen, um zu gewährleisten, dass die Sekundärspannungen innerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegen.
Falls die Primär- oder Sekundärspannungen außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegen, kann die Windkraftanlage 100 von dem Stromnetz 260 elektrisch getrennt werden. Spezieller kann der Leistungswandler 210 der Windkraftanlage 10 in manchen Ausführungsformen von den Sekundärwicklungen 237, 239 des Transformators 234, beispielsweise durch Öffnen des Netzschützes 226 oder Konvertierungsschaltkreisunterbrechers 228, elektrisch getrennt werden. Alternativ kann das System 275, wie in 4 gezeigt, eine Unterbrechungsvorrichtung, beispielsweise eine Mittelspannungsschaltvorrichtung (MVSG) 258, enthalten, die mit der Konvertersteuereinrichtung 262 und einem optionalen Schutzrelais 266 in Datenaustausch verbunden ist, das zwischen der Unterbrechungsvorrichtung und dem Stromnetz 260 angeordnet ist. Spezieller kann die MVSG 258, wie gezeigt, zwischen dem Stromnetz 260 und dem Stufenschalter 270 angeordnet sein, so dass die Konvertersteuereinrichtung 262 in der Lage ist, die Unterbrechungsvorrichtung auszulösen oder zu öffnen, um das System 275 elektrisch von dem Stromnetz 260 zu trennen, wenn die Primärspannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. In abgewandelten Ausführungsformen kann die MVSG 258 zwischen der Konvertersteuereinrichtung 262 und dem Haupttransformator 234 angeordnet sein, so dass die Konvertersteuereinrichtung 262 in der Lage ist, die Unterbrechungsvorrichtung auszulösen oder öffnen, um das System 275 von dem Stromnetz 260 elektrisch zu trennen, wenn die Sekundärspannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. In noch weiteren Ausführungsformen kann die Unterbrechungsvorrichtung eine beliebige sonstige Vorrichtung beinhalten, die dazu eingerichtet ist, das System 275 elektrisch von dem Stromnetz 260 zu trennen, um die Turbine 100 vor Bedingungen außerhalb des Spannungsbereichs zu schützen.
5 und 6 veranschaulichen ebenfalls unterschiedliche Vorteile der Optimierung des Windkraftanlagenbetriebs gemäß der vorliegenden Beschreibung. Wie in 5 gezeigt, ist ein Graph 300 der Spannung gegenüber der Zeit für den Fall veranschaulicht, dass der Stufenschalter inaktiv oder nicht vorhanden ist, wohingegen 6 einen Graphen 350 der Spannung gegenüber der Zeit darstellt, wenn der Stufenschalter 270 aktiv ist. Die Graphen 300, 350 veranschaulichen einen Unterspannungsschwellwert 302 bzw. Überspannungsschwellwerte 304, 354. Solche Schwellwerte oder Schutzvorgabewerte können in Abhängigkeit von Netzkodes und/oder speziellen Kundenbedürfnissen kundenspezifisch angepasst werden. Somit liegen die Schutzvorgabewerte gewöhnlich auf oder unter der Fähigkeitskurve oder Hüllkurve, die durch die Leistungswandleranordnung 210 auferlegt ist, so dass bestimmte Überspannungsbedingungen nicht auftreten können. Die Unterspannungsschwellwerte 302 werden durch die OLTC-Funktion gewöhnlich nicht beeinflusst. Dementsprechend kann der Überspannungsschwellwert 354, wenn die OLTC-Funktion aktiv ist (6), um einen bestimmten Faktor gesteigert werden, um höhere Spannungen in der Primärwicklung 235 (und daher mehr entzogene Blindleistung) zuzulassen. Weiter kann der Überspannungsschwellwert 354 auf der berechneten Primärspannung begründet werden, wenn die OLTC-Funktion aktiv ist. Desgleichen wird der Überspannungsschwellwert 304, wenn der Stufenschalter 270 inaktiv ist, gewöhnlich auf der primären und/oder den sekundären Spannungen begründet.
In einer Ausführungsform kann die Spannung der Sekundärwicklung 239 beispielsweise 1,09 pu (d.h. 9% über dem Nennwert) betragen, und die Spannung der Primärwicklung 235 kann 1,11 pu betragen, wie in der veranschaulichten Ausführungsform gezeigt. In einem solchen Zeitpunkt kann die Windkraftanlage 100 dem Wind eine Nenn-Wirkleistung von beispielsweise 2,7 MW bei einem Einheitsleistungsfaktor entziehen, was einer Blindleistung von Null entspricht. Die Turbinensteuereinrichtung 202 kann dann der Konvertersteuereinrichtung 262 befehlen, die Leistungsentnahme bei dem gegenwärtigen Pegel beizubehalten, während gleichzeitig eine Blindleistung von 0,9 Mvar geliefert wird. Um der Windkraftanlage 100 zu ermöglichen, den neuen Arbeitspunkt zu erreichen, müsste die Spannung der Sekundärwicklung 239 normalerweise beispielsweise bis auf 1,12 pu (d.h. 12% über dem Nennwert) steigen, was gegebenenfalls entsprechend Konstruktionsrandbedingungen der Windkraftanlage eine Überspannungsauslösung verursachen wird. Um die Überspannungsauslösung zu vermeiden, nimmt der Stufenschalter 270 im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Abgriffstellung ein, die die Sekundärspannung um einen bestimmten Betrag reduziert, beispielsweise auf 1,08 pu. Wenn der neuen Arbeitspunkt erfüllt ist, ist die Primärspannung höher als die ursprüngliche Spannung, wie in 6 gezeigt, beispielsweise ausgehend von etwa 1,11 pu auf etwa 1,2 pu, was für das Netz 260 und die Primärwicklung 235 angemessen ist, während die Sekundärspannung innerhalb sicherer Grenzen liegt.
Mit Bezugnahme auf 7 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage mittels der Konvertersteuereinrichtung 262 veranschaulicht. Wie gezeigt beginnt das Verfahren 400 in Schritt 402. In Schritt 404 tastet die Konvertersteuereinrichtung 262 Konverterrückmeldungen ab und verarbeitet sie. In Schritt 406 erhält die Konvertersteuereinrichtung 262 von dem Stufenschalter eine Abgriffstellung und berechnet die Primärspannung des Transformators in Abhängigkeit von den Rückmeldungen und der Abgriffstellung. Darüber hinaus wählt die Konvertersteuereinrichtung 262 in Schritt 408 Sekundärspannungen des Transformators oder bestimmt sie. Auf der Grundlage der Schritte 406 und 408 wählt die Konvertersteuereinrichtung 262 in Schritt 414 die Primär- oder Sekundärspannungen für bestimmte Schutzkonfigurationen aus. In Schritt 420 bestimmt die Konvertersteuereinrichtung 262, ob die gewählte Spannung innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt. Falls die Spannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt, führt die Konvertersteuereinrichtung 262 in Schritt 422 einen Steuerungsvorgang durch. Beispielsweise kann die Konvertersteuereinrichtung 262, wie erwähnt, ein Auslösesignal an das Netzschütz 226, an den Konvertierungsschaltkreisunterbrecher 228, oder an die Netzunterbrechungsvorrichtung 258 übertragen. In Schritt 410 ist die Konvertersteuereinrichtung 262 außerdem dazu eingerichtet, Leistungsmengen zu berechnen, und die Konvertersteuereinrichtung 262 erhält in Schritt 416 von der Turbinensteuereinrichtung 202 eine Leistungspegelanforderung. Als solche bestimmt die Konvertersteuereinrichtung 262 in Schritt 418, ob die Leistungsanforderung erfüllt ist. Falls nicht, passt die Konvertersteuereinrichtung 262 in Schritt 412 Konverterspannungen und -ströme an. Ist die Entscheidung Ja, fährt das Verfahren 400 in Schritt 404 fort.
Ausführungsformen einer Windkraftanlage, ein Steuerungssystems für eine Windkraftanlage und Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage sind vorstehend im Einzelnen beschrieben. Die Verfahren, die Windkraftanlage und das Steuerungssystem sind nicht auf die hierin unterbreiteten speziellen Ausführungsformen beschränkt, vielmehr können Komponenten der Windkraftanlage und/oder des Steuerungssystems und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und getrennt von hier beschriebenen weiteren Komponenten und/oder Schritten genutzt werden. Beispielsweise können das Steuerungssystem und die Verfahren ebenso in Verbindung mit anderen Windkraftanlagensystemen und -verfahren verwendet werden und sind nicht auf eine Nutzung in Verbindung mit dem hier beschriebenen Energiesystem beschränkt. Vielmehr kann die Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen von Windkraftanlagen- oder Stromerzeugungssystemen, z.B. Solarkraftsystemen, verwirklicht und genutzt werden.
Obwohl spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen gezeigt sind und in anderen nicht, dient dies lediglich der vereinfachten Darstellung. Gemäß den Grundzügen der Erfindung kann jedes Merkmal einer Zeichnung in Verbindung mit jedem beliebigen Merkmal jeder anderen Zeichnung in Bezug genommen und/oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um außerdem jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich beliebige Einrichtungen und Systeme herzustellen und zu nutzen, und beliebige damit verbundene Verfahren durchzuführen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere dem Fachmann in den Sinn kommende Beispiele umfassen. Solche anderen Beispiele sollen in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, falls sie strukturelle Elemente enthalten, die sich von dem Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder falls sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
System und Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage sind offenbart. In einem Aspekt enthält das Verfahren ferner Ermitteln einer Abgriffstellung eines Stufenschalters, der zwischen dem Stromnetz und einer Primärwicklung eines Transformators angeordnet ist, mittels einer Konvertersteuereinrichtung eines Leistungswandlers. Ein weiterer Schritt beinhaltet Berechnen einer Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung mittels der Konvertersteuereinrichtung. Das Verfahren beinhaltet ferner Durchführen eines Steuerungsvorgangs mittels der Konvertersteuereinrichtung, falls die Primärspannung oder eine gemessene Sekundärspannung einer Sekundärwicklung des Transformators außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.

Claims

Verfahren zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage, wobei das Verfahren aufweist: Ermitteln einer Abgriffstellung für einen Stufenschalter, der zwischen dem Stromnetz und einer Primärwicklung eines Transformators angeordnet ist, mittels einer Konvertersteuereinrichtung eines Leistungswandlers; Berechnen einer Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung mittels der Konvertersteuereinrichtung; und Durchführen eines Steuerungsvorgangs mittels der Konvertersteuereinrichtung, falls die Primärspannung oder eine gemessene Sekundärspannung einer Sekundärwicklung des Transformators außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Verknüpfen der Abgriffstellung mit einer entsprechenden Übersetzungsverhältniskorrektur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, das außerdem Berechnen der Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Übersetzungsverhältniskorrektur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, das außerdem Berechnen der Primärspannung als Funktion von einem oder mehreren von folgendem aufweist: einem Sekundärwicklungsspannungsabfall, einer Sekundärwicklungsinduktivität, einer Konverterinduktivität, einem oder mehreren Sekundärwicklungsströmen, einer Primärwicklungsinduktivität, einer Frequenz oder einer Transformatorimpedanz.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Durchführung des Steuervorgangs ferner elektrisches Trennen der Windkraftanlage von dem Stromnetz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das elektrische Trennen der Windkraftanlage von dem Stromnetz ferner das Bereitstellen einer Unterbrechungsvorrichtung zwischen der Windkraftanlage und dem Stromnetz und Öffnen der Unterbrechungsvorrichtung aufweist, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung außerhalb des vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Unterbrechungsvorrichtung wenigstens eines von einer Mittelspannungsschaltvorrichtung, einem Trennschalter, einem Netzschütz oder einer Synchronisierungsschalter beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Stufenschalter einen Stufenschalter unter Last beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Windkraftanlage einen windbetriebenen doppeltgespeisten Induktionsgenerator (DFIG) aufweist.
System zur Optimierung des Betriebs einer Windkraftanlage, wobei das System enthält: einen Stufenschalter, der zwischen einem Stromnetz und einer Primärwicklung eines Transformators betriebsmäßig verbunden ist, der mit dem Stromnetz verbunden ist, wobei der Stufenschalter dazu eingerichtet ist, die Abgriffstellungen automatisch zu wechseln; und eine Steuereinrichtung, die mit dem Transformator und dem Stufenschalter betriebsmäßig verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere Arbeitsschritte durchzuführen, wobei der eine oder mehrere Arbeitsschritte aufweisen: Erhalten einer Abgriffposition von dem Stufenschalter, Berechnen einer Primärspannung der Primärwicklung als Funktion der Abgriffstellung oder Messen einer Sekundärspannung einer Sekundärwicklung des Transformators und Durchführen eines Steuervorgangs, falls die Primärspannung oder die Sekundärspannung außerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs liegt.