DE102018006788A1 - Wind turbine with improved interference behavior - Google Patents

Abstract

Windenergieanlage umfassend einen Windrotor (12), einen vom Windrotor (12) angetriebenen Generator (13) mit Umrichter (2) zur Erzeugung elektrischer Leistung, und einen über eine mehrphasige Verbindungsleitung (3) angeschlossenen mehrphasigen Anlagentransformator (4). Der Anlagentransformator (4) weist für jede Phase der Verbindungsleitung (3) jeweils einen Schenkel (51, 52, 53) auf, worauf die Wicklungen angeordnet sind. Erfindungsgemäß sind die Wicklungen (71, 72, 73) ausschließlich auf der Sekundärseite des Anlagentransformators (4) geteilt ausgeführt sowie auf jeweils zwei Schenkeln (51, 52, 53) verteilt in Zickzackschaltung angeordnet, und zwar die Wicklungen aller Phasen. Dank der Aufteilung der Wicklungen (71, 72, 73) auf verschiedene Schenkel (51, 52, 53) führen Gleichtakt-Ströme zu entgegengesetzten Flüssen im Kern (5) des Anlagentransformators (4). Damit wird eine Kompensation dieser störenden Flüsse noch in dem Anlagentransformator (4) erreicht, d.h. dank der Kompensation verlassen die durch die Gleichtakt-Ströme verursachten Flüsse das Joch des Transformatorkerns nicht und treten somit nicht aus dem Transformatorgehäuse aus.Wind energy plant comprising a wind rotor (12), a generator (13) driven by the wind rotor (12) with converter (2) for generating electrical power, and a multiphase system transformer (4) connected via a multiphase connecting line (3). The plant transformer (4) has one leg (51, 52, 53) for each phase of the connecting line (3), on which the windings are arranged. According to the invention, the windings (71, 72, 73) are divided exclusively on the secondary side of the plant transformer (4) and are arranged in a zigzag pattern on two legs (51, 52, 53), namely the windings of all phases. Thanks to the division of the windings (71, 72, 73) into different legs (51, 52, 53), common-mode currents lead to opposite flows in the core (5) of the system transformer (4). This compensates for these interfering flows in the system transformer (4), i.e. thanks to the compensation, the fluxes caused by the common-mode currents do not leave the yoke of the transformer core and therefore do not emerge from the transformer housing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage umfassend einen Windrotor, einen vom Windrotor angetriebenen Generator mit Umrichter zur Erzeugung elektrischer Leistung, und einen über eine mehrphasige Verbindungsleitung angeschlossenen, mehrphasigen Anlagentransformator.The invention relates to a wind power plant comprising a wind rotor, a generator driven by the wind rotor with a converter for generating electrical power, and a multiphase plant transformer connected via a multiphase connecting line.

Im Zuge stetiger ansteigender Leistungsfähigkeit von Windenergieanlagen kommt deren Störverhalten eine zusehends größere Wichtigkeit zu. Dies wird noch dadurch verstärkt, dass steigende Leistung der Windenergieanlage einhergeht mit größeren Abmessungen, d.h. auch längeren Leitungen der Windenergieanlage und leistungsstärkeren Transformatoren an der jeweiligen Windenergieanlage. Diese sog. Anlagentransformatoren sind erforderlich, da bei modernen Windenergieanlagen die Leistungsabgabe in der Regel auf Mittelungsspannungsniveau erfolgt. Für die hierbei verwendeten Mehrphasen-Transformatoren (Drehstromtransformatoren) sind unterschiedliche Typen bekannt, die sich in 42 sog. Schaltungsgruppen gliedern. Praktische Bedeutung haben davon lediglich vier sogenannte Vorzugsschaltgruppen, aus denen je nach Anwendungsfall ausgewählt wird. So ist Stern/Stern die Vorzugsschaltgruppe für Transformatoren zum Kuppeln von Netzen, Stern/Dreieck die Vorzugsschaltgruppe für Blocktransformatoren bzw. Verteilungstransformatoren insbesondere auf Mittelspannungsniveau und Dreieck/Stern bzw. Stern/Zickzack die Vorzugsschaltgruppen für Ortsnetztransformatoren zum Niederspannungsnetz zur Aufteilung der Leistung auf in der Regel einphasige Abnehmer. Für die auf Mittelspannungsniveau angeschlossenen Windenergieanlagen findet daher typischerweise Anwendung die Vorzugsschaltgruppe Stern/Dreieck.In the course of steadily increasing performance of wind turbines, their interference behavior is becoming increasingly important. This is exacerbated by the fact that increasing power of the wind energy installation goes hand in hand with larger dimensions, i.e. also longer cables of the wind turbine and more powerful transformers on the respective wind turbine. These so-called plant transformers are necessary because in modern wind turbines the power output is usually at the average voltage level. Different types are known for the multi-phase transformers used here (three-phase transformers), which are divided into 42 so-called circuit groups. Of these, only four so-called preferred switching groups are of practical importance, from which selection is made depending on the application. Star / star is the preferred switching group for transformers for coupling networks, star / triangle is the preferred switching group for block transformers or distribution transformers, in particular at medium voltage level, and triangle / star or star / zigzag is the preferred switching group for local network transformers for low-voltage networks for distributing the power as a rule single-phase customers. For the wind turbines connected at medium voltage level, the star / delta preferred switching group is typically used.

Es hat sich gezeigt, dass es insbesondere bei leistungsstarken Windenergieanlagen durch die Kombination von hoher Leistung, durch Umrichter hochfrequent geschalteten Strömen sowie langen Leitungen es zu erheblichen Gleichtakt-Störungen sowie durch parasitäre Kapazität und deren Ableitstrom kommen kann. Insbesondere Gleichtakt-Spannungen erzeugen dabei einen hochfrequenten Umladestrom durch parasitäre Kapazitäten, der in das Massesystem der Windenergieanlage eingetragen wird. Am Anlagentransformator treten in der Folge mitunter sehr hohe unerwünschte Pulsspannungen auf, die schädlich wirken insbesondere auch auf den Umrichter sowie das gesamte Eigenbedarfsnetz der Windenergieanlage.It has been shown that especially in high-performance wind turbines, the combination of high power, currents switched by high-frequency converters and long lines can lead to considerable common-mode interference and parasitic capacitance and its leakage current. Common mode voltages in particular generate a high-frequency charge-reversal current through parasitic capacitances, which is entered into the mass system of the wind power plant. As a result, very high undesired pulse voltages sometimes occur on the system transformer, which have a detrimental effect, in particular, on the converter as well as on the entire power grid of the wind turbine.

Zur Minderung dieser Problematik sind verschiedene Lösungsansätze bekannt geworden. Ein erster Lösungsansatz besteht darin, das gesamte Erdungssystem der Windenergieanlage konzeptionell umzustellen von „geerdetes Netz“ auf „ungeerdetes Netz“. Ein solcher kompletter Umbau des Schutzkonzepts ist jedoch ausgesprochen aufwendig und verlangt überdies eine höhere Spannungsfestigkeit der Betriebsmittel, und zwar entsprechend der Phase-Phase-Spannung. Ferner wird für die Entkopplung des Eigenbedarfsnetzes ein zusätzlicher Isoliertransformator erforderlich. Ein zweiter Ansatz beruht auf dem Einsatz eines Groundfilters am Umrichtereingang. Auch hierfür ist einiger Aufwand erforderlich, und zwar sowohl einmal Aufwand bei der Herstellung für den Filter selbst und andauernder Aufwand für laufende Verluste im Betrieb infolge des Dämpfungswiderstands im Filter. Ein dritter Ansatz sieht vor eine Verkürzung der Leitungen mit gepulster Spannung, nämlich durch Anordnen des Umrichters in der Gondel. Bei Windenergieanlagen, die an sich ausgelegt sind auf ein Konzept mit einem im Turm (Turmfuß) angeordneten Umrichter bedeutet dies eine grundsätzliche Konzeptänderung. Dies ist sehr aufwendig und aus praktischen Gründen häufig nicht durchführbar.Various solutions have become known for reducing this problem. A first solution is to conceptually change the entire earthing system of the wind turbine from “earthed network” to “unearthed network”. However, such a complete conversion of the protection concept is extremely complex and, moreover, requires a higher dielectric strength of the equipment, in accordance with the phase-phase voltage. In addition, an additional isolation transformer is required to decouple the power grid. A second approach is based on the use of a ground filter at the converter input. Some effort is also required for this, both once in the manufacture of the filter itself and continuous effort for ongoing losses in operation due to the damping resistance in the filter. A third approach provides for shortening the lines with pulsed voltage, namely by arranging the converter in the nacelle. In the case of wind turbines which are designed per se with a concept with a converter arranged in the tower (tower base), this means a fundamental concept change. This is very complex and often not feasible for practical reasons.

Es besteht daher die Problematik, die gefährlichen Auswirkungen von gepulsten Spannungen auf eine effizientere Weise zu verringern.There is therefore a problem in reducing the dangerous effects of pulsed voltages in a more efficient manner.

Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.The solution according to the invention lies in the features of the independent claim. Advantageous further developments are specified in the independent claims.

Bei einer Windenergieanlage umfassend einen Windrotor, einen vom Windrotor angetriebenen Generator mit Umrichter zur Erzeugung elektrischer Leistung, und einen über eine mehrphasige Verbindungsleitung angeschlossenen mehrphasigen Anlagentransformator, der auf einem Transformatorkern mit Schenkeln angeordnete Wicklungen und der Anlagentransformator für jede Phase der Verbindungsleitung jeweils einen Schenkel aufweist, wobei die Verbindungsleitung sekundärseitig an den Anlagentransformator angeschlossen ist und primärseitig eine Anschlussleitung zur Abgabe der elektrischen Leistung angeschlossen ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Wicklungen des Anlagentransformators ausschließlich auf der Sekundärseite geteilt ausgeführt sowie auf jeweils zwei Schenkel verteilt in Zickzackschaltung angeordnet sind, und zwar die Wicklungen aller Phasen.In the case of a wind energy installation comprising a wind rotor, a generator driven by the wind rotor with a converter for generating electrical power, and a multi-phase installation transformer connected via a multi-phase connection line, which has windings arranged on a transformer core with legs and the installation transformer for each phase of the connection line has one leg in each case, The connecting line is connected to the system transformer on the secondary side and a connecting line for delivering the electrical power is connected on the primary side. According to the invention, windings of the system transformer are designed to be divided only on the secondary side and are arranged in zigzag fashion on two legs each, namely the windings all phases.

Unter dem Begriff der „Zickzackschaltung“ wird in Übereinstimmung mit der einschlägigen Fachterminologie (vergleiche DIN EN 60076) verstanden, dass jede Wicklung eines mehrphasigen Stromsystems nicht nur auf einen einzelnen Schenkel des Transformatorkerns angeordnet ist, sondern auf zwei Schenkel verteilt aufgebracht ist, und die Anfänge der geteilten Wicklungen mit den Phasen des mehrphasigen Stromsystems verbunden sind.The term “zigzag connection” is understood in accordance with the relevant technical terminology (compare DIN EN 60076) that each winding of a multi-phase power system is not only arranged on a single leg of the transformer core, but is distributed over two legs, and the beginnings the split windings are connected to the phases of the multi-phase power system.

Die Erfindung beruht auf der Kombination zweier Erkenntnisse. Zum einen auf der Erkenntnis, dass die Störungen insbesondere gleichtaktbedingt sind, und weiter, dass die durch Gleichtakt-Ströme bewirkten Gleichtakt-Flüsse sich in gewöhnlichen Anlagentransformatoren nicht über das Joch des Transformatorkerns schließen, sondern vielmehr aus dem Transformatorkern austreten und über das Trafogehäuse nach außen laufen. Durch das Austreten entstehen hohe Spannungsspitzen, was entsprechend hohe Störfelder hervorruft und somit für ein ungünstiges EMV-Verhalten sorgt. Ferner wird durch das Austreten aus dem Transformatorkern bzw. -gehäuse die Isolation des Transformators erheblich belastet, was die Gefahr von Langzeitschäden mit sich bringt. The invention is based on the combination of two findings. On the one hand on the knowledge that the disturbances are in particular caused by common mode, and further that in common system transformers the common mode flows caused by common mode currents do not close via the yoke of the transformer core, but rather emerge from the transformer core and to the outside via the transformer housing to run. The emergence creates high voltage peaks, which causes correspondingly high interference fields and thus ensures unfavorable EMC behavior. Furthermore, the insulation of the transformer is considerably stressed by the emergence from the transformer core or housing, which entails the risk of long-term damage.

Zum anderen beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass bei der Aufteilung der Wicklungen auf der Niederspannungsseite (Sekundärseite) auf verschiedene Schenkel die Gleichtakt-Ströme zu entgegengesetzten Flüssen im Kern führen. Damit wird eine weitgehende Kompensation dieser störenden Flüsse noch in dem Transformator erreicht. Durch die Kompensation verlassen die durch die Gleichtakt-Ströme hervorgerufenen Flüsse das Joch des Transformatorkerns nicht und treten somit auch nicht aus dem Transformatorgehäuse aus.On the other hand, the invention is based on the knowledge that when the windings are divided on the low-voltage side (secondary side) into different legs, the common-mode currents lead to opposite flows in the core. This largely compensates for these interfering flows in the transformer. As a result of the compensation, the flows caused by the common-mode currents do not leave the yoke of the transformer core and therefore do not emerge from the transformer housing.

Wie bereits einleitend erwähnt sind Transformatoren nach Schaltgruppen klassifiziert. Insgesamt gibt es für Drehstrom 42 Schaltgruppen, aus denen jedoch nur vier Vorzugsschaltgruppen praktische Bedeutung haben. Transformatoren mit einer Zickzackschaltung auf einer Seite sind zur Anwendung in Ortsnetzen bekannt, um die Leistung aufzuteilen auf meist einphasige Verbraucher, und zwar wegen der günstigen Betriebseigenschaften der Zickzackschaltung bei unsymmetrischer Belastung. Der Leistungsfluss ist also gerichtet zu den Wicklungen in Zickzackanordnung. Es ist ein Verdienst der Erfindung erkannt zu haben, dass die im Grunde bereits seit langem bekannte Zickzackanordnung mit großem Vorteil auch ganz anders eingesetzt werden kann, zur Verhinderung eines Austretens von Gleichtakt-Flüssen aus dem Transformatorkern, allerdings mit umgekehrter Richtung des Leistungsflusses, nämlich ausgehend von der Zickzack-Anordnung. Dies ist im Stand der Technik ohne Beispiel.As already mentioned in the introduction, transformers are classified according to vector groups. Overall there is for three-phase current 42 Vector groups, from which, however, only four preferred vector groups have practical significance. Transformers with a zigzag circuit on one side are known for use in local networks to distribute the power to mostly single-phase consumers, because of the favorable operating properties of the zigzag circuit with asymmetrical loading. The power flow is therefore directed to the windings in a zigzag arrangement. It is a merit of the invention to have recognized that the zigzag arrangement, which has basically been known for a long time, can also be used with great advantage in a very different way to prevent common-mode flows from escaping from the transformer core, but with the opposite direction of the power flow, namely starting from the zigzag arrangement. This is unprecedented in the prior art.

Vorzugsweise werden diese Wicklungen sekundärseitig mit einem Sternpunkt verschaltet, der herausgeführt ist. Damit ist ein günstiger Anschluss für das Erdungssystem der Windenergieanlage bereitgestellt.These windings are preferably connected on the secondary side to a star point which is led out. This provides an inexpensive connection for the earthing system of the wind turbine.

Bedingt durch die Aufteilung der Wicklungen ist es so, dass Transformatoren mit einer Sekundärseite in Zickzackanordnung etwa 15 % mehr Wicklungen (auf der Sekundärseite) aufweisen als bei einer herkömmlichen Ausführung in Stern- oder Dreieckschaltung. Paradoxerweise führt dieses Mehr an Wicklungen jedoch nicht zu einer größeren, sondern zu einer kleineren Impedanz in Bezug auf Gleichtakt-Störungen. Mit Vorteil sind die Wicklungen so dimensioniert, dass sekundärseitig ein Impedanzverhältnis zwischen Nullsystem und Mitsystem höchstens 0,2 beträgt, und vorzugsweise mindestens 0,05.Due to the division of the windings, transformers with a secondary side in a zigzag arrangement have around 15% more windings (on the secondary side) than with a conventional star or delta connection. Paradoxically, however, this increase in windings does not result in a larger, but in a smaller impedance with respect to common mode interference. The windings are advantageously dimensioned such that an impedance ratio between zero system and co-system is at most 0.2 on the secondary side, and preferably at least 0.05.

Mit Vorteil sind die Wicklungen primärseitig als Dreieckschaltung verschaltet. Es hat sich gezeigt, dass hiermit eine weitere Optimierung des Verhaltens erreicht werden kann, und zwar insbesondere im Hinblick auf die Verringerung von Gleichtakt-Störungen. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass auf der Primärseite die Wicklungen in Sternschaltung ausgeführt sind.The windings are advantageously connected on the primary side as a delta connection. It has been shown that a further optimization of the behavior can be achieved with this, in particular with regard to the reduction of common mode interference. However, it should not be excluded that the windings on the primary side are star-connected.

Zweckmäßigerweise sind die Teile der sekundärseitigen Wicklungen auf den jeweils zwei Schenkeln gleich groß. Dies ergibt eine symmetrische Aufteilung des Flusses für jede Phase auf die beiden Schenkel. Damit kann eine optimale Kompensation der störenden Gleichtakt-Flüsse erreicht werden.The parts of the secondary windings on the two legs are expediently of the same size. This results in a symmetrical distribution of the flow for each phase between the two legs. This enables optimal compensation of the disturbing common-mode flows.

Mit Vorteil ist der Anlagentransformator nach Schaltgruppe „0“ ausgeführt, mithin also verdrehungsfrei. Damit ergibt sich eine optimale Kompensation bei geringstem Aufwand. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Schaltgruppe ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Dzn2, Dzn4, Dzn6, Dzn8 und Dzn10. Auf diese Weise kann bei Bedarf eine gewünschte Phasenverdrehung festgelegt sein, und zwar in einem Raster von 2*30°, d. h. 60°.The system transformer is advantageously designed according to vector group "0", so it does not twist. This results in optimal compensation with the least effort. Alternatively, it can also be provided that a switching group is selected from a group consisting of Dzn2, Dzn4, Dzn6, Dzn8 and Dzn10. In this way, a desired phase rotation can be specified if necessary, in a grid of 2 * 30 °, i. H. 60 °.

Es hat sich bewährt, wenn die Anzahl der Schenkel im Anlagentransformator der Anzahl der Phasen in der Verbindungsleitung entspricht. Damit ergibt sich ein kompakter und raumsparender Aufbau des Anlagentransformators. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass die Anzahl der Schenkel größer ist, beispielsweise fünf Schenkel in einem Dreiphasensystem.It has proven useful if the number of legs in the system transformer corresponds to the number of phases in the connecting line. This results in a compact and space-saving construction of the system transformer. However, it should not be excluded that the number of legs is larger, for example five legs in a three-phase system.

Ferner erstreckt sich die Erfindung auf die Verwendung eines Anlagentransformators mit Zickzackschaltung wie beschrieben als Leistungstransformator einer Windenergieanlage.Furthermore, the invention extends to the use of a plant transformer with a zigzag circuit as described as a power transformer of a wind turbine.

Die Erfindung erstreckt sich weiter auf einen Transformator-Nachrüstsatz für eine Windenergieanlage. Hierbei umfasst die Windenergieanlage einen herkömmlichen Transformator zur Abgabe der Leistung. Dieser Transformator ist kombiniert angeordnet mit einem parallel geschalteten erfindungsgemäßen Anlagentransformator als Sternpunktbildner. Auf diese Weise kann eine Weiterbenutzung von vorhandenen Beständen der Anlagentransformatoren erreicht werden. Dies ist nicht nur ökonomisch im Hinblick auf Ressourcennutzung, sondern hat weiter den Vorteil, dass die Leistung des als Sternpunktbildner fungierenden erfindungsgemäßen Anlagentransformators kleiner bemessen sein kann. Damit werden auch bei bestehenden Windenergieanlagen mit wenig Zusatzaufwand die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung erreicht. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen.The invention further extends to a transformer retrofit kit for a wind turbine. The wind turbine here comprises a conventional transformer for delivering the power. This transformer is arranged in combination with a system transformer according to the invention connected in parallel as a star point former. In this way, the existing stocks of the plant transformers can be reused. This is not just economical in terms of Resource use, but also has the advantage that the power of the system transformer according to the invention acting as a star point former can be dimensioned smaller. The advantageous effects of the invention are thus achieved with little additional effort even in existing wind energy plants. For a more detailed explanation, reference is made to the above description.

Zweckmäßigerweise ist die Leistung des als Sternpunktbildner fungierenden Anlagentransformators deutlich kleiner als der eigentliche herkömmliche Transformator der Windenergieanlage, dessen Leistungsfähigkeit mindestens so groß wie die Nennleistung der Windenergieanlage ist. Beispielsweise ist der als Sternpunktbildner fungierende Anlagentransformator dimensioniert auf mindestens ein Zehntel und vorzugsweise höchstens ein Drittel der Nennleistung der Windenergieanlage.Advantageously, the power of the system transformer functioning as a star point generator is significantly lower than the actual conventional transformer of the wind power plant, the performance of which is at least as large as the rated power of the wind power plant. For example, the plant transformer functioning as a star point generator is dimensioned to at least one tenth and preferably at most one third of the rated power of the wind power plant.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert. Es zeigen:

• 1 eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• 2 ein Blockdiagramm eines Leistungsstrangs der Windenergieanlage gemäß 1;
• 3 eine Wicklungsverschaltung am Anlagentransformator gemäß der Erfindung;
• 4 ein Spannungszeiger-Diagramm für den Anlagentransformator;
• 5 eine Parallelschaltung mit einem Zusatztransformator;
• 6 eine Wicklungsverschaltung an einem herkömmlichen Anlagentransformator gemäß dem Stand der Technik; und
• 7a, b Spannungsdiagramme zur Phase-Erd-Spannung am Anlagentransformator bzw. die Gleichtaktspannung gemäß dem Stand der Technik.

The invention is explained below by way of example with reference to the accompanying drawing using an advantageous embodiment. Show it:

• 1 a schematic view of a wind turbine according to an embodiment of the invention;
• 2 a block diagram of a power train of the wind turbine according to 1 ;
• 3 a winding connection on the system transformer according to the invention;
• 4 a voltage vector diagram for the plant transformer;
• 5 a parallel connection with an additional transformer;
• 6 a winding connection on a conventional system transformer according to the prior art; and
• 7a, b Voltage diagrams for the phase-earth voltage on the system transformer or the common mode voltage according to the prior art.

Eine Windenergieanlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Sie weist einen Turm 10 mit einer an dessen oberen Ende schwenkbar angeordneten Gondel 11 auf, an deren Stirnseite ein Windrotor 12 drehbar angeordnet ist. Der Windrotor 12 treibt über eine (nicht dargestellte) Rotorwelle einen Generator 13 an, der die vom Windrotor 12 zugeführte mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt und über einen Umrichter 2 ausgibt.A wind turbine according to an embodiment of the invention is in its entirety with the reference number 1 designated. It shows a tower 10 with a gondola pivotally arranged at its upper end 11 on the front of which is a wind rotor 12 is rotatably arranged. The wind rotor 12 drives a generator via a rotor shaft (not shown) 13 to that of the wind rotor 12 supplied mechanical power is converted into electrical power and via a converter 2 issues.

Der Umrichter 2 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel am Fuß des Turms 10 angeordnet und über eine Steigleitung 16 mit dem Generator 13 verbunden. Netzseitig ist der Umrichter 2 über eine mehrphasige (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt sich um die drei Phasen eines Drehstromsystems) Verbindungsleitung 17 mit einem Anlagentransformator 4 der Windenergieanlage 1 verbunden. Über diese Verbindungsleistung wird die elektrische Leistung auf Niederspannungsniveau auf einer Sekundärseite dem Anlagentransformator 4 zugeführt. Der Anlagentransformator 4 ist dazu ausgebildet, die auf Niederspannungsniveau zugeführte elektrische Leistung auf ein Mittelspannungsniveau anzuheben. Auf seiner Primärseite ist an den Anlagentransformator 4 eine Anschlussleitung 18 angeschlossen, welche die erzeugte elektrische Leistung auf Mittelspannungsniveau an ein Netz 9 abgibt.The converter 2 is in the illustrated embodiment at the foot of the tower 10 arranged and via a riser 16 with the generator 13 connected. The converter is on the line side 2 via a multi-phase (in the illustrated embodiment, the three phases of a three-phase system) connecting line 17 with a plant transformer 4 the wind turbine 1 connected. Via this connection power, the electrical power at the low voltage level on a secondary side of the system transformer 4 fed. The plant transformer 4 is designed to raise the electrical power supplied to the low voltage level to a medium voltage level. On its primary side is on the plant transformer 4 a connecting line 18th connected to the electrical power generated at medium voltage level on a network 9 delivers.

Ein Blockdiagram für den Leistungsstrang der Windenergieanlage 1 ist in 2 dargestellt. Vom Windrotor 12 wird mechanische Leistung aus dem Wind entnommen und dem Generator 13 zugeführt. Dieser wandelt die zugeführte mechanische Leistung in elektrische Leistung um und gibt sie ab an den Umrichter 2. Die dazu vorgesehene Verbindungsleitung 16 umfasst generatorseitig eine Kabelschlaufe 14 sowie eine an einer Innenwandung des Turms 10 verlaufende Busbar 15. Diese kann eine beträchtliche Länge aufweisen, da sie sich über einen Großteil der Höhe des Turms 10 der Windenergieanlage 1 erstreckt (beispielhaft 70 m bis 160 m für eine Windenergieanlage der 3 bis 4 MW Klasse). Wegen der Länge dieser Leitung können sich beträchtliche Störungen insbesondere durch Gegen- und Gleichtakt-Spannungen ergeben, da diese Leitung vom Umrichter 2 mit gepulsten Spannungen beaufschlagt ist. Dies ist eine Folge der Anordnung des Umrichters 2 am Fuß des Turms 10, die jedoch bei modernen Windenergieanlagen mit sehr hoher Leistung häufig schon aus strukturellen Gründen erforderlich ist.A block diagram for the power line of the wind turbine 1 is in 2 shown. From the wind rotor 12 mechanical power is taken from the wind and the generator 13 fed. This converts the supplied mechanical power into electrical power and transfers it to the converter 2 , The connection line provided for this 16 includes a cable loop on the generator side 14 and one on an inner wall of the tower 10 running busbar 15 , This can be of considerable length as it spans much of the height of the tower 10 the wind turbine 1 extends (for example 70 m to 160 m for a wind turbine of the 3 to 4 MW class). Because of the length of this line, considerable disturbances can arise, in particular due to common-mode and common-mode voltages, since this line from the converter 2 pulsed voltages are applied. This is a consequence of the arrangement of the converter 2 at the foot of the tower 10 However, this is often necessary for structural reasons in modern wind turbines with very high output.

Der Umrichter 2 selbst ist an sich konventionell aufgebaut mit einem Zwischenkreis 20, einem generatorseitigen Wechselrichter 21 sowie einem netzseitigen Wechselrichter 22, die über den Zwischenkreis 20 verbunden sind.The converter 2 itself is conventionally constructed with an intermediate circuit 20th , a generator-side inverter 21 and a grid-side inverter 22 that over the DC link 20th are connected.

Bevor auf den Aufbau des erfindungsgemäßen Anlagentransformators 4 eingegangen wird, soll nachfolgend kurz auf einen Anlagentransformator 8 gemäß dem Stand der Technik eingegangen werden. Es handelt sich hierbei um einen Drehstromtransformator mit einem Kern, der drei parallele Schenkel 81 aufweist, die an ihren Stirnseiten jeweils über ein Joch 82 verbunden sind. Auf einer Sekundärseite des Transformators (rechts dargestellt in 6) ist die Anschlussleitung zum Generator auf Niederspannungsniveau angeschlossen. Dazu ist auf jedem der Schenkel 81 je eine Sekundärwicklung 83 angeordnet. Die Sekundärwicklungen 83 sind in Sternanordnung verschaltet mit einem herausgeführten Sternpunkt 84. Linksseitig sind auf den Schenkel 81 Wicklungen 85 angeordnet, die als Primärwicklungen in Dreieckanordnung geschaltet sind. Bei dieser Anordnung können sich die aus Gleichtakt-Strömen in den Schenkeln 81 ergebenden Flüsse nicht über das Joch schließen, sodass sie aus dem Kern austreten und extern (meist über das Gehäuse des Transformators) zurücklaufen. Dies führt zu den am Anfang der Beschreibungseinleitung genannten Problemen.Before starting the construction of the system transformer according to the invention 4 is briefly discussed below on a plant transformer 8th according to the state of the art. It is a three-phase transformer with a core, the three parallel legs 81 has, each on its end faces via a yoke 82 are connected. On a secondary side of the transformer (shown on the right in 6 ) the connecting cable to the generator is connected at low voltage level. For this is on each leg 81 one secondary winding each 83 arranged. The secondary windings 83 are connected in a star arrangement with a star point 84 , Left are on the thigh 81 Windings 85 arranged, which are connected as primary windings in a triangular arrangement. With this arrangement, the common-mode currents in the legs 81 Do not close the resulting rivers via the yoke, so that they emerge from the core and run back externally (usually via the housing of the transformer). This leads to the problems mentioned at the beginning of the introduction to the description.

Die sich als Folge ergebenden Störungen auf der Sekundärseite des herkömmlichen Anlagentransformators 8 sind in 7a, b dargestellt. Dargestellt ist in 7a die Spannung zwischen Phase und Erde, am Beispiel einer Phase L1 des Drehstromsystems (die übrigen Phasen sind entsprechend gestört). Man erkennt beträchtliche Störungen, die Werte von weit über 1000 V erreichen bei einer Nennspannung von lediglich 580 V. Ursache dieser exzessiven Spannungspulse sind durch Gleichtakt-Ströme hervorgerufene Spannungsstörungen U_cm (siehe 7b).The resulting disturbances on the secondary side of the conventional plant transformer 8th are in 7a, b shown. Is shown in 7a the voltage between phase and earth, using the example of a phase L1 of the three-phase system (the other phases are disturbed accordingly). Significant disturbances can be seen, the values of well over 1000 V reach at a nominal voltage of only 580 V. The cause of these excessive voltage pulses are voltage disturbances caused by common-mode currents U _cm (please refer 7b) ,

Die Erfindung sieht nun einen Aufbau des Anlagentransformators 4 vor, bei dem die Wicklungen auf der Sekundärseite anders verschaltet sind. Dargestellt ist dies in 3. Ein Kern 5 des Transformators 4 weist drei parallel nebeneinander angeordnete Schenkel 51, 52, 53 auf, die stirnseitig über jeweils ein Joch 54, 55 miteinander verbunden sind. Primärseitig (links in 3) ist jeweils eine Primärwicklung 61, 62, 63 auf je einem Schenkel 51, 52, 53 angeordnet und in Dreiecksanordnung verschaltet. Auf der Sekundärseite (in 3 rechts dargestellt) ist jede der Wicklungen 71, 72, 73 der Sekundärseite geteilt ausgeführt, und zwar derart, dass die Sekundärwicklungen 71 nur zum Teil auf dem Schenkel 51 angeordnet ist und mit einem weiteren Teil 71' auf dem einer anderen Phase zugehörigen Schenkel 52 angeordnet ist. Für die beiden übrigen Sekundärwicklungen 72, 73 gilt entsprechendes, auch bei denen ist jeweils ein Teil 72', 73' zyklisch vertauscht auf einem der anderen Schenkel 53 bzw. 51 angeordnet. Die Teilwicklungen haben vorzugsweise dieselbe Windungszahl. Es ergibt sich somit eine zickzackartige Beschaltung. Ferner ist ein Sternpunkt 74 der Zickzack-Beschaltung herausgeführt.The invention now sees a structure of the plant transformer 4 in which the windings are connected differently on the secondary side. This is shown in 3 , A core 5 of the transformer 4 has three parallel legs arranged side by side 51 . 52 . 53 on the front of each yoke 54 . 55 are interconnected. Primary side (left in 3 ) is always a primary winding 61 . 62 . 63 on one leg each 51 . 52 . 53 arranged and connected in a triangular arrangement. On the secondary side (in 3 shown on the right) is each of the windings 71 . 72 . 73 the secondary side is divided, in such a way that the secondary windings 71 only partially on the thigh 51 is arranged and with another part 71 ' on the leg associated with another phase 52 is arranged. For the other two secondary windings 72 . 73 The same applies accordingly, for which there is also a part 72 ' . 73 ' cyclically interchanged on one of the other legs 53 respectively. 51 arranged. The partial windings preferably have the same number of turns. This results in a zigzag circuit. There is also a star point 74 the zigzag circuit.

Das sich bei dieser Beschaltung ergebende Spannungszeiger-Diagramm ist in 4 dargestellt. In der linken Hälfte zeigt es die Primärseite, die in konventioneller Weise als Dreieck-Beschaltung ausgeführt ist. In der rechten Hälfte ist die Sekundärseite dargestellt, wobei die sich aus der verteilten Anordnung der Wicklungen 71, 72, 73 ergebenden geknickten Spannungszeiger für jede Phase dargestellt sind. Wie sich ferner aus der gestrichelten Linie ergibt, findet keine Phasendrehung zwischen Sekundärseite und Primärseite erstatte, das bedeutet der Transformator ist nach Schaltgruppe „0“ und somit verdrehungsfrei ausgeführt. Die Schaltgruppe des Anlagentransporters 4 gemäßen Ausführung Beispiel der Findung lautet somit „Dzn0“.The resulting voltage vector diagram is shown in 4 shown. In the left half it shows the primary side, which is designed in a conventional manner as a delta connection. The right side shows the secondary side, which results from the distributed arrangement of the windings 71 . 72 . 73 resulting buckled voltage pointers are shown for each phase. As can also be seen from the dashed line, there is no phase shift between the secondary side and the primary side, which means that the transformer is designed according to switching group "0" and therefore without rotation. The switching group of the system transporter 4 according to the execution Example of the finding is therefore " Dzn0 ".

Als Folge dieser Anordnung sind auf jedem der Schenkel 51, 52, 53 zwei Wicklungen (genauer gesagt Teile von Wicklungen) angeordnet, die von dem Strom jeweils in entgegengesetzter Richtung durchflossen werden. Als Folge davon kompensieren sich durch Gleichtakt-Ströme hervorgerufene Gleichtakt-Flüsse jeweils bereits in dem Schenkel 51, 52, 53 - bei gleicher Wicklungszahl der Teilwicklungen ist die Kompensation vollständig. Somit treten keine durch Gleichtakt-Ströme hervorgerufenen Gleichtakt-Flüsse aus den Schenkeln 51, 52, 53 bzw. den Transformatorkern 5 aus, sodass entsprechend keine Störungen nach außen emittiert werden.As a result of this arrangement are on each of the legs 51 . 52 . 53 two windings (more precisely parts of windings) are arranged, through which the current flows in the opposite direction. As a result, common mode flows caused by common mode currents are already compensated for in the leg 51 . 52 . 53 - With the same number of windings of the partial windings, the compensation is complete. Thus, no common mode flows caused by common mode currents emerge from the legs 51 . 52 . 53 or the transformer core 5 off, so that no interference is emitted to the outside.

Die Störungen, wie sie im Stand der Technik durch die nach außen austretenden Gleichtakt-Flüsse und den dadurch hervorgerufenen Spannungen entstanden sind (siehe 7a, b), werden damit wirkungsvoll vermieden.The disturbances, as they have arisen in the prior art due to the outward common-mode flows and the voltages caused thereby (see 7a, b ) are effectively avoided.

Eine Variante der Erfindung ist in 5 dargestellt. Hierbei ist die Windenergieanlage mit einem konventionellen Transformator 8 (primärseitig Dreieck-, sekundärseitig Stern-Beschaltung, insbesondere Schaltgruppe Dyn5 oder Dyn11) versehen und zusätzlich ist auf der Sekundärseite des Transformators der erfindungsgemäße Transformator 4 parallel zur Erde geschaltet. Er fungiert somit als Sternpunktbildner und eignet sich somit zur einfachen Nachrüstung bestehender Windenergieanlagen.A variant of the invention is in 5 shown. Here is the wind turbine with a conventional transformer 8th (Triangle connection on the primary side, star connection on the secondary side, in particular switching group Dyn5 or Dyn11 ) and the transformer according to the invention is also on the secondary side of the transformer 4 connected in parallel with the earth. It thus acts as a star point generator and is therefore suitable for simple retrofitting of existing wind turbines.

Claims (10)

Windenergieanlage umfassend einen Windrotor (12), einen vom Windrotor (12) angetriebenen Generator (13) mit Umrichter (2) zur Erzeugung elektrischer Leistung, und einen über eine mehrphasige Verbindungsleitung (3) angeschlossenen mehrphasigen Anlagentransformator (4), der auf einem Transformatorkern (5) mit Schenkeln angeordnete Wicklungen und der Anlagentransformator (4) für jede Phase der Verbindungsleitung (3) jeweils einen Schenkel (51, 52, 53) aufweist, wobei die Verbindungsleitung sekundärseitig an den Anlagentransformator angeschlossen ist und primärseitig eine Anschlussleitung zur Abgabe der elektrischen Leistung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungen (71, 72, 73) des Anlagentransformators (4) ausschließlich auf der Sekundärseite geteilt ausgeführt sowie auf jeweils zwei Schenkeln (51, 52, 53) verteilt in Zickzackschaltung angeordnet sind, und zwar die Wicklungen aller Phasen.Wind power plant comprising a wind rotor (12), a generator (13) driven by the wind rotor (12) with converter (2) for generating electrical power, and a multiphase system transformer (4) connected via a multiphase connecting line (3), which is connected to a transformer core ( 5) windings arranged with legs and the system transformer (4) for each phase of the connecting line (3) each have one leg (51, 52, 53), the connecting line being connected on the secondary side to the system transformer and on the primary side a connecting line for delivering the electrical power is connected, characterized in that windings (71, 72, 73) of the system transformer (4) are designed to be split only on the secondary side and are arranged in a zigzag pattern on two legs (51, 52, 53), namely the windings of all phases . Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (71, 72, 73) sekundärseitig mit einem Sternpunkt (N) verschaltet sind, der herausgeführt ist.Wind turbine after Claim 1 , characterized in that the windings (71, 72, 73) are connected on the secondary side to a star point (N) which is led out. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (61, 62, 63) primärseitig als Dreieckschaltung verschaltet sind. Wind turbine after Claim 1 or 2 , characterized in that the windings (61, 62, 63) are connected on the primary side as a delta connection. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile der sekundärseitigen Wicklungen (71, 72, 73) auf den jeweils zwei Schenkeln gleich groß sind.Wind power plant according to one of the preceding claims, characterized in that the parts of the secondary windings (71, 72, 73) on the two legs are the same size. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitigen Wicklungen (71, 72, 73) so dimensioniert sind, dass ein Impedanzverhältnis zwischen Nullsystem und Mitsystem höchstens 0,2 beträgt, vorzugsweise mindestens 0,05.Wind power plant according to one of the preceding claims, characterized in that the secondary windings (71, 72, 73) are dimensioned such that an impedance ratio between zero system and co-system is at most 0.2, preferably at least 0.05. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagentransformator (4) nach Schaltgruppe „Dzn0“ ausgeführt ist.Wind energy installation according to one of the preceding claims, characterized in that the installation transformer (4) is designed according to switching group "Dzn0". Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagentransformator (4) gemäß einer der Schaltgruppen ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Dzn2, Dzn4, Dzn6, Dzn8 und Dzn10 ausgeführt ist.Wind turbine according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the plant transformer (4) is designed according to one of the switching groups selected from a group consisting of Dzn2, Dzn4, Dzn6, Dzn8 and Dzn10. Windenergieanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schenkel (51, 52, 53) im Anlagentransformator (4) der Anzahl der Phasen in der Verbindungsleitung (3) entspricht.Wind energy plant according to one of the preceding claims, characterized in that the number of legs (51, 52, 53) in the plant transformer (4) corresponds to the number of phases in the connecting line (3). Transformator-Nachrüstsatz für eine Windenergieanlage umfassend einen Windrotor (12), einen vom Windrotor (12) angetriebenen Generator (13) mit Umrichter (2) zur Erzeugung elektrischer Leistung, und einen über eine mehrphasige Verbindungsleitung (3) angeschlossenen mehrphasigen Transformator (8), wobei die Verbindungsleitung (3) sekundärseitig an den Transformator angeschlossen ist und primärseitig eine Anschlussleitung zur Abgabe der elektrischen Leistung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Transformator (8) ein Anlagentransformator (4) als Sternpunktbildner parallel geschaltet ist, wobei in dem Anlagentransformator (4) jede Phase der Verbindungsleitung (3) jeweils einen Schenkel (51, 52, 53) aufweist, wobei die Verbindungsleitung sekundärseitig an den Anlagentransformator (4) angeschlossen ist und primärseitig eine Erdung angeschlossen ist, und Wicklungen (71, 72, 73) des Anlagentransformators (4) ausschließlich auf der Sekundärseite geteilt ausgeführt sowie auf jeweils zwei Schenkeln (51, 52, 53) verteilt in Zickzackschaltung angeordnet sind, und zwar die Wicklungen aller Phasen.Transformer retrofit kit for a wind energy installation comprising a wind rotor (12), a generator (13) driven by the wind rotor (12) with converter (2) for generating electrical power, and a multiphase transformer (8) connected via a multiphase connecting line (3), The connecting line (3) is connected to the transformer on the secondary side and a connecting line for delivering the electrical power is connected on the primary side, characterized in that a plant transformer (4) is connected in parallel as a star point former to the transformer (8), wherein in the plant transformer (4 ) each phase of the connecting line (3) has one leg (51, 52, 53), the connecting line being connected on the secondary side to the system transformer (4) and an earth connection being connected on the primary side, and windings (71, 72, 73) of the system transformer (4) exclusively on the secondary side and executed e are arranged on two legs (51, 52, 53) in a zigzag pattern, namely the windings of all phases. Transformator-Nachrüstsatz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anlagentransformator (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildet ist.Transformer retrofit kit Claim 9 , characterized in that the system transformer (4) according to one of the Claims 2 to 8th is trained.

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