DE3922573A1 - Windenergieanlage - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage, mit der
die Windenergie über einen Rotor an einen Asynchrongenerator
übertragen wird, wobei zur Einregelung einer konstanten
Leistung die Rotorblätterwinkel einstellbar sind.
Bei Anlagen zur Wandlung der Windenergie in elektrische
Energie ist man bestrebt, die Leistung der Anlage auf einen
Nennmoment konstant zu halten, insbesondere einen Leistungs
anstieg über den Nennmoment zu vermeiden. Dieses wird durch
Begrenzung der Leistungsaufnahme des Rotors auf eine ent
sprechende Nennleistung erreicht, indem der Rotorblatt
winkel entsprechend der Windgeschwindigkeit verstellt wird.
Die Trägheit dieser Rotorleistungsregelung macht es insbe
sondere bei Großanlagen erforderlich, die Regelung der
Blattwinkelverstellung durch weitere Regelungen zu unter
stützen, um unerwünschte Auswirkungen von plötzlichen Wind
geschwindigkeitsänderungen zu vermeiden.
Für die unterstützende Regelung sind zahlreiche Verfahren
bekannt, die im Buch von Erich Hau "Windkraftanlagen",
Springerverlag 1988, S. 262-273, 286-319, zusammenge
faßt sind. Diese Verfahren basieren im wesentlichen darauf,
daß der Windenergieanstieg zunächst in eine Erhöhung der
Rotordrehzahl umgesetzt wird, unter - soweit möglich -
Konstanthaltung des antreibenden Rotor- bzw. Getriebemomen
tes, bis die Blattwinkeleinstellung zur Reduzierung der
Leistungsaufnahme des Rotors eingreift.
Für die Zusatzregelung wird entweder die Rotorwelle (z.B.
torsionselastische Welle) oder das Getriebe (beispielsweise
Überlagerungsgetriebe mit begrenzter Abtriebsdrehzahl) oder
der Generator (z.B. als Synchrongenerator) herangezogen
oder aber auch durch Einbringen von Kupplungen (z.B. hydro
dynamische Kupplung) oder von Stromrichtern erreicht.
Bei einer Anlage gemäß der eingangs genannten Art wird das
Problem der Leistungsregelung gemäß einem Vorschlag des
vorstehend zitierten Buches S. 302, 303 dadurch angegangen,
daß der Asynchrongenerator mit einem erhöhten Schlupf
ausgelegt wird. Damit wird erreicht, daß das Drehmoment des
Generators bei einer Erhöhung der Rotordrehzahl einen
geringeren Anstieg erfährt und das Drehmoment im Zeitraum
bis zur Einstellung der Blattwinkeln nicht das Kippmoment
erreicht. Diese Lösung erfolgt aber auf Kosten des Wirkungs
grades, zumal mit der Anhebung des Schlupfes der Wirkungs
grad des Generators sinkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der
eingangs genannten Art so zu gestalten, daß eine Leistungs
steuerung unter fertigungstechnisch geringem Aufwand und
ohne nennenswerten Einbußen des Wirkungsgrades möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Durch das niedrige Kippmoment ist gewährleistet, daß trotz
hoher Windbeschleunigung kein hohes Generatormoment auftritt,
das auf die Abtriebswelle des Getriebes wirken könnte. Das
Getriebe wird damit keinen hohen Belastungen ausgesetzt,
wenn bei raschen Windleistungsänderungen die daran anzupas
sende Blattwinkelverstellung nicht rasch genug erfolgt.
Gleichzeitig wird erreicht, daß die Leistungsschwankungen
am Ausgang des Generators eine geringe Bandbreite haben,
indem kurzzeitige Spannungsspitzen durch das niedrige Kipp
moment relativ flach ausfallen.
Die bekannte Auslegung für ein weiches System durch Anhebung
des Schlupfes kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
zusätzlich in Betracht gezogen werden, indem der Schlupf
geringfügig auf etwa 1,5 bis 3,5% angehoben wird. Dadurch
verlagert sich das Kippmoment auf höhere Drehzahlen, so daß
das Kippmoment im Betrieb der Windenergieanlage nur äußerst
selten erreicht wird.
Mit der Erfindung ist es möglich, Windstöße über den
Asynchrongenerator so abzufangen, daß weder eine Belastung
des Getriebes erfolgt, noch die Notwendigkeit ein besonders
ausgestaltetes und technisch kompliziertes Getriebes oder
eine Nachregelung der erzeugten elektrischen Energie vor
sehen zu müssen.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Ein Blockbild der mechanisch-elektrischen
Wirkungskette einer Windkraftanlage und
Fig. 2 ein Diagramm der Drehmomentencharakteristik eines
Asynchrongenerators.
Fig. 1 zeigt den Triebstrang einer Windenergieanlage,
bestehend aus einem vom Wind 10 betreibbaren Rotor 11, der
über eine Antriebswelle 12, einem Getriebe 13 und einer
Getriebeabtriebswelle 14 mit einem Generator 15 verbunden
ist, dessen Ausgang 16 über einen Transformator 17 mit
einem mit Strom zu versorgenden Netz 18 (oder Elektro
speicher oder Verbraucher) verbunden ist. Die Windenergie
anlage ist mit einem Regler 20 ausgerüstet, der in Abhängig
keit elektrischer Leistung des Generators 15 oder in
Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebswelle 12 die Winkel
stellung 21 der Rotorblätter 22 des Rotors 11 entsprechend
der Windleistung einstellt.
Eine Windenergieanlage muß in der Regel so ausgelegt und
konzipiert werden, daß durch eine automatische Regelung am
Ausgang 16 des Generators eine konstante Leistung ansteht
und daß Überlastungen an der Anlage vermieden werden.
Aufgrund der Massenträgheit der Rotorblätter 22 und der
Stellglieder hinkt die Regelung einer Windgeschwindigkeits
änderung nach, so daß die Anlage kurzzeitig Mehrbelastungen
ausgesetzt wird, die die Anlage aushalten muß.
Diesem Umstand Rechnung tragend, wird als Generator 15 ein
Asynchrongenerator verwendet, dessen Drehmomentencharakte
ristik in Fig. 2 gezeigt ist. Die linke Seite des Diagramms
stellt die Kurve im Motorbetrieb dar, auf die hier nicht
weiter eingegangen wird. Auf der rechten Seite des Dia
gramms, das den Generatorbetrieb darstellt, zeigt die
strichpunktierte Kurve den Verlauf des Drehmomentes M in
Abhängigkeit vom Verhältnis der Drehzahl n zur Solldreh
zahl ns des Generators. Über einen relativ steilen Anstieg 25
erreicht die Kurve einen Höchstwert, das sogenannte Kipp
moment Mk. Diese Kurve stellt die Charakteristik für einen
konventionellen Asynchronmotor dar, bei dem das Verhältnis
des Kippmomentes Mk zum Nennmoment MN etwa 2,5 ist.
Bei der Verwendung eines derartigen Generators wird eine
Windböe bis zum Eingreifen der Regeleinrichtung 20, 21 die
Drehzahl n des Generators 15 derart anheben, daß ein
starker Anstieg des Drehmomentes M und damit der Ausgangs
leistung des Generators 15 erfolgt.
Um diese Konsequenzen zu vermeiden, muß die Leistungszunahme
am Rotor 11 entweder von einem komplizierten Getriebe 13
aufgenommen werden, oder es muß ein kostspieliger Wandler
dem Generator nachgeschaltet werden, mit dem die Zunahme
der elektrischen Leistung verarbeitet wird.
Gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik hat man den
Schlupf des Asynchrongenerators angehoben. Der Verlauf der
Momentencharakteristik für einen Generator mit erhöhtem
Schlupf entspricht der gestrichelten Kurve in Fig. 2.
Nach dieser Kurve wird das Moment M bei Windenergieänderung
bzw. Drehzahländerungen nicht so rasch ansteigen, es kann
jedoch bei sehr hohen Drehzahlen nach wie vor hohe Moment
werte erreichen.
Gemäß der Erfindung wird dagegen eine Auslegung des Asyn
chrongenerators gewählt, bei dem das Verhältnis zwischen
Kippmoment Mk zum Nennmoment MN zwischen 1,1 und 1,8, vor
zugsweise zwischen 1,2 bis 1,5 liegt. Die Drehmomentcharak
teristik eines derartigen Generators nimmt den Verlauf der
durchgezogenen Kurve 30 ein. Hier wird ein erhöhtes Dreh
moment M durch das niedrige Kippmoment von vorneherein
unterdrückt, so daß die Gefahr einer Überlastung in den
Zeiträumen zwischen Windenergiefluktuation und Rotorblatt
winkelverstellung nicht mehr auftritt.
Durch diese Auslegung erübrigen sich andere Maßnahmen -
insbesondere am Getriebe 13 und am elektrischen Umformer 17 -
zur Aufnahme überschüssiger Wind- bzw. elektrischer Leistung.
Die Reduzierung des Generatorkippmomentes wird in bekannter
Weise durch eine besondere Ausformung der Läuferstäbe,
z.B. als Doppelstab erreicht. Mit der Reduzierung des
Generatorkippmomentes wird zwar die Blindleistung des
Generators erhöht, dieses kann jedoch in bekannter Weise
durch Kondensatoren kompensiert werden.
Der vorstehend beschriebene erwünschte Effekt kann durch
Anhebung des Schlupfes unterstützt werden, indem dadurch
das Kippmoment auf höhere Drehzahlen verschoben wird und
die Anhebung des Drehmomentes M bei Windleistungsanstieg
folglich weiter gebremst wird. Die Momentencharakteristik
nimmt dabei den in Fig. 2 mit Ziffer 31 gekennzeichneten
Kurvenverlauf ein.
Claims (3)
1. Windkraftanlage, mit der die Windenergie über einen
Rotor an einen Asynchrongenerator übertragen wird,
wobei ein Regler zur Einstellung der Rotorblätter
winkel vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Asynchrongenerator (15) verwendet wird,
dessen Kippmoment (Mk) das 1,1 bis 1,8-fache des
Nennmoments (MN) ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis zwischen dem Kippmoment (Mk) und Nenn
moment (MN) des Asynchrongenerators (15) zwischen
1,2 und 1,5 liegt.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Asynchrongenerator (15) mit einem leicht
erhöhten Schlupf ausgelegt ist.
Priority Applications (2)
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- 1990-07-06 DK DK163990A patent/DK163990A/da not_active IP Right Cessation
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Also Published As
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DK163990D0 (da) | 1990-07-06 |
DE3922573C2 (de) | 1991-06-27 |
DK163990A (da) | 1991-01-09 |
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