DE202007016800U1

DE202007016800U1 - Windkraftanlage mit Synchronisierungsschalter

Info

Publication number: DE202007016800U1
Application number: DE202007016800U
Authority: DE
Original assignee: Repower Systems SE
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2007-12-01
Filing date: 2007-12-01
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2017-12-02

Abstract

Windenergieanlage, umfassend eine auf einem Turm angebrachte Maschinengondel, einem um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerten Windrotor, der einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, wobei der Generator die elektrische Energie über einen Transformator und einen Synchronisierungsschalter in ein elektrisches Mittelspannungsnetz einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisierungsschalter zwischen dem Transformator und dem Mittelspannungsnetz angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage, umfassend eine auf einem Turm angebrachte Maschinengondel, einem um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerten Rotor, der einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, wobei der Generator die elektrische Energie direkt über einen Transformator und einen Synchronisierungsschalter in ein elektrisches Mittelspannungsnetz einspeist.
Windkraftanlagen sind häufig über einen Transformator an ein Mittelspannungsnetz angeschlossen. Dabei sind die Windenergieanlagen über einen Trennschalter vom elektrischen Netz trennbar. Sobald die Windenergieanlage gestartet wird, wird der Trennschalter geschlossen und die Windkraftanlage wird mit dem Netz schlagartig synchronisiert. Dieser Vorgang führt zu unerwünschten Momenten und Strömen im mechanischen und elektrischen Triebstrang der Windenergieanlage.
Eine Verbesserung stellt die aus dem Patent US 7 205 676 bekannte Windkraftanlage dar. In dieser Anordnung erfolgt das Schliessen des Schalters der Windenenergieanlage erst, wenn die von der Windenergieanlage abgegebene Leistung synchron zum angeschlossenen Netz ist.
Nachteilig an dieser Lösung ist aber, dass der angeschlossene Transformator nicht berücksichtigt wird. Befindet sich der Synchronisierungsschalter auf der Niederspannungsseite des Transformators, so ist der Transformator beim Schliessen des Synchronisierungsschalters noch nicht erregt und es fließt kurzzeitig auch bei netzsynchronem Zuschalten ein sehr hoher Einschaltstrom ins Netz. Dieser Einschaltstrom kann dabei ein bis zu 12faches des Nennstroms der Windenergieanlage betragen.
Bislang wurden dazu aufwändige regeltechnische Verfahren vorgeschlagen, die unter anderem ein gleichzeitiges Zuschalten mehrerer Windenergieanlagen an das elektrische Netz vermeiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Windenergieanlage hinsichtlich der vorgenannten Nachteile zu verbessern.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist bei einer Windenergieanlage, die eine auf einem Turm angebrachten Maschinengondel umfasst, sowie einen um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerten Windrotor, der einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, wobei der Generator die elektrische Energie über einen Transformator und einen Synchronisierungsschalter in ein elektrisches Mittelspannungsnetz einspeist, vorgesehen, dass der Synchronisierungsschalter zwischen dem Transformator und dem Mittelspannungsnetz angeschlossen ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer derartigen Anordnung der Transformator vor dem Schließen des Synchronisierungsschalters durch die Windenergieanlage bereits miterregt wird und der Transformator dann eine höhere Induktivität besitzt als wenn er vor dem Schliessen des Synchronisierungsschalters nicht erregt wurde. Die höhere Induktivität des Transformators bewirkt, dass die Höhe des Einschaltstroms nach dem Schließen des Synchronisierungsschalters geringer ist. Nachteilige Einflüsse, wie zum Beispiel das Auslösen von Schutzkomponenten des angschlossenen elektrischen Netzes, können somit weitgehend vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Generator um einen doppeltgespeisten Asynchrongenerator, der einen Teil der elektrischen Energie indirekt über einen Wechselrichter dem Transformator zuführt.
In einer Ausführungsvariante ist der Transformator als Dreiwicklungstransformator ausgeführt.
Mit Transformator sind auch jene Anordnungen mit gemeint bei der der Transformator aus mehreren Untertransformatoren bestehen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet können.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Übertragung der elektrischen Leistung des Stators des Generators direkt an den Transformator erfolgen kann, ohne dass Schaltelemente im Übertragungsweg notwendig sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht zusätzlich noch einen Leistungsschalter zwischen dem Mittelspannungsnetz und dem Transformator vor, mit dem die Windenergieanlage bei Versagen des Synchronisierungsschalters vom Netz getrennt werden kann.
Der Trennschalter kann dabei ein Schütz, Druckgas-, Strömungs- oder Vakuumschalter oder auch eine einfache Sicherung sein, die bei bestimmten Überströmen die Windenergieanlage vom Netz trennt.
Darüber hinaus kann ein Synchronisationsmodul vorgesehen sein, dass die elektrischen Größen beidseitig des Synchronisierungsschalters erfasst und den Synchronisierungsschalter erst dann schließt, wenn die Abweichungen der elektrischen Größen minimal sind. Das Synchronisationsmodul kann dabei so ausgeführt sein, dass es die Abweichungen und/oder die elektrischen Messgrößen an die Steuerung der Windenergieanlage übermittelt. Die Windenergieanlage kann basierend auf den übermittelten Werten die vom Generator und/oder Umrichter erzeugten elektrischen Ströme und/oder Spannungen so regeln, dass die Abweichungen minimiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht.
Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage
2: eine bevorzugte Ausführungsform der Windenergieanlage
3: eine variante der Ausführungsform mit mehreren Untertransformatoren
1 zeigt eine erfindungsgemäße Windenergieanlage 1, die einen sich drehenden Windrotor 2 besitzt, der über ein Getriebe 3 mit einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator 4 verbunden ist, der einen Stator 5 und einen Rotor 6 aufweist. Der Stator 5 des Generators 4 ist elektrisch mit einem Transformator 8 verbunden. Der Rotor 6 ist mit einem Umrichter 7 verbunden, der die erzeugte Leistung des Rotors in eine dem elektrischen Netz 10 angepasste elektrische Leistung umformt. Zwischen dem Transformator 8 und dem elektrischen Netz 10 ist ein Synchronisierungsschalter 9 angeschlossen.
Wird die Windenergieanlage 1 in Betrieb genommen, ist der Synchronisierungsschalter 9 zunächst geöffnet und die Windenergieanlage 1 speist noch keine Leistung in das Netz 10 ein.
Auch wenn die Windenergieanlage 1 keine Leistung in das Netz 10 einspeist, wird bereits jetzt der Transformator 8 durch die anliegende Spannung erregt.
Wie in 2 dargestellt, misst nun das an den Synchronisierungsschalter angeschlossene Synchronisationsmodul über die maschinenseitige und netzseitige Messstelle (92, 93) die Phasenlage, Frequenz und Spannung netzseitig und maschinenseitig des Synchronisierungsschalters 9. Die Abweichungen der jeweiligen maschinenseitigen Größen zu den netzseitigen Größen werden an die Steuerung 20 der Windenergieanlage 1 übertragen. Die Steuerung 20 regelt nun über die im Umrichter 7 vorhandenen Wechselrichter 71, 73 die Lage und Frequenz der maschinenseitigen elektrischen Spannungen, so dass die Abweichungen am Synchronisierungsschalter 9 minimal werden.
Sobald die Abweichungen minimal sind, schließt das Synchronisationsmodul 91 den Synchronisierungsschalter 9, und die Windenergieanlage 1 speist elektrische Leistung in das Netz 10 ein, ohne dass es beim Schließen des Synchronisierungsschalters 9 durch die mangelnde Erregung des Transformators 8 zu einer übermäßigen Stromspitze kommt.
Zusätzlich ist noch ein Leistungsschalter 11 zwischen dem Synchronisierungsschalter 9 und dem Netz 10 angebracht, der bei Störungen im Netz 10 oder in der Windenergieanlage 1 die elektrische Verbindung unterbricht, um kritische Wechselwirkungen zu vermeiden.
3 stellt eine Variante der Auführungsform dar bei der der Transformator 8 aus zwei Untertransformatoren (81, 82) besteht. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Spannung der vom Stator abgegebenen elektrischen Leistung nicht gleich der Spannung der vom Umrichter abgegebenen elektrischen Leistung sein muss. Der Synchronisierungsschalter ist aber auch bei dieser Ausführungsform mittelspannungsseitig des Transformators angeordnet.
Die in 1 gezeigte Anordnung der Komponenten kann selbstverständlich auch anders gewählt werden. So können die verschiedenen Komponenten auch in der Gondel, dem Turmfuss und/oder in einer im Umkreis der Anlage angeordneten Transformatorstation angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7205676 [0003]

Claims

Windenergieanlage, umfassend eine auf einem Turm angebrachte Maschinengondel, einem um eine im wesentlichen horizontale Drehachse drehbar gelagerten Windrotor, der einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt, wobei der Generator die elektrische Energie über einen Transformator und einen Synchronisierungsschalter in ein elektrisches Mittelspannungsnetz einspeist, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisierungsschalter zwischen dem Transformator und dem Mittelspannungsnetz angeschlossen ist.
Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ein doppelt gespeister Asynchrongenerator ist, der einen Teil der elektrischen Energie indirekt über einen Wechselrichter dem Transformator zuführt.
Windenergieanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator mindestens drei Wicklungen umfasst.
Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator aus mehreren Untertransformatoren besteht, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator des Generators ohne weitere Schaltelemente an den Transformator angeschlossen ist.
Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage noch einen zusätzlichen Trennschalter zur Trennung der Windenergieanlage vom Netz umfasst, der zwischen Transformator und Mittelspannungsnetz angeschlossen ist.
Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Synchronisierungsmodul vorsehen ist, das die Spannung, Frequenz und/oder Phasenlage beidseitig des Synchronisierungsschalters erfasst und den Synchronisierungsschalter betätigt.
Windenergieanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Synchronisierungsmodul Signalausgänge aufweist, mit denen die Abweichungen der gemessenen Spannung, Frequenz und/oder Phasenlage der jeweiligen Größen zueinander an die Windenergieanlage übertragen wird.
Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungen der maschinenseitig anliegenden elektrischen Spannung zur netzseitig anliegenden elektrischen Spannung des Synchronschalters vor dem Schliessen in Frequenz, Amplitude und/oder Phasenlage minimiert werden.
Windenergieanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung der Abweichungen mittels mindestens einem der Wechselrichter vorgenommen wird.
Windenergieanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Minimierung der Abweichungen mittels des generatorseitigen Wechselrichters vorgenommen wird.
Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisierungsschalter in der Gondel oder im unteren Ende des Turmfusses angebracht ist.