EP2984336A1 - Windenergieanlage und verfahren zum betreiben einer windenergieanlage - Google Patents

Windenergieanlage und verfahren zum betreiben einer windenergieanlage

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EP2984336A1
EP2984336A1 EP14718356.0A EP14718356A EP2984336A1 EP 2984336 A1 EP2984336 A1 EP 2984336A1 EP 14718356 A EP14718356 A EP 14718356A EP 2984336 A1 EP2984336 A1 EP 2984336A1
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EP
European Patent Office
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wind turbine
rotor
power
control unit
wind
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Withdrawn
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EP14718356.0A
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English (en)
French (fr)
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Kai BUSKER
Alfred Beekmann
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Original Assignee
Wobben Properties GmbH
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
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    • H02H7/067—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors on occurrence of a load dump
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • Wind energy plant and method for operating a wind energy plant Wind energy plant and method for operating a wind energy plant
  • the present invention relates to a wind energy plant and a method for operating the wind energy plant.
  • Wind turbines have a rotatable rotor which is rotated by the force of the wind.
  • the rotor is connected directly or via a gear with an electric generator, which converts the rotational movement of the rotor into electrical power.
  • the generated electrical power is fed into a utility grid.
  • the supply network consists of a number of energy generating units (wind, coal, solar, etc.) and a large number of consumers.
  • the supply network has parameters such as a mains frequency, a mains voltage, etc.
  • One task of the operator of the supply network is to operate the supply network in such a way that the parameters of the supply network (mains voltage and mains frequency) do not exceed or fall below certain limit values.
  • the operation of the wind turbine is influenced so that the wind turbine controls down, ie. H. the speed of the rotor of the wind turbine is reduced and possibly the rotor is stopped, so that no electric power is generated and is fed into the supply network. Due to the high mass of the rotor of the wind turbine, the rotor of the wind turbine can not be stopped immediately. In other words, if an error occurs in the supply network, then the speed of the rotor of the wind turbine z. B. by pitching the rotor blades (by changing the pitch angle) reduced.
  • the rotor blades can be pitched or twisted so that a minimal attack surface against the wind is present. Since the rotor of the wind turbine continues to rotate even after the occurrence of a fault in the supply network, an electric power is still generated, albeit reduced, in the wind turbine and delivered to the electrical supply network.
  • German Patent and Trademark Office has searched the following documents: DE 10 2005 049 426 B4; US 2007/0100506 A1; US 4,511,807A; EP 2 075 890 A1; WO 99/50945 A1; US 2003/0193933 A1 and EP 2 621 070 A1.
  • a wind energy plant with a rotor having at least two rotor blades, an electric generator which is directly or indirectly coupled to the rotor of the wind turbine and generates electrical power upon rotation of the rotor, and a control unit for controlling the operation of the wind turbine is provided.
  • the control unit activates a first error mode when supply network parameters fall above or below a threshold.
  • the control unit is configured in the first fault mode to reduce the speed of the rotor to zero and to activate a chopper to consume the electric power generated by the electric generator in the fault mode by the chopper.
  • the invention also relates to a wind turbine with a rotor having at least two rotor blades, an electric generator which is coupled directly or indirectly to the rotor and generates electrical power upon rotation of the rotor and a control unit for controlling the operation of the wind turbine.
  • the control unit is configured to activate a second error mode when parameters of the utility network exceed or fall below a threshold.
  • the control unit is configured in the second fault mode to control the wind turbine so that it receives power from the supply network and consumed by the chopper.
  • the invention relates to a concept to provide a wind turbine with a power cabinet, which power electronics such.
  • B. has an inverter.
  • a chopper is further provided, which is coupled to a load resistor.
  • the wind turbine has a control unit which reduces the speed of the rotor of the wind turbine by changing the pitch angle of the rotor blades when an error such. B. an overfrequency in the supply network is detected. By the control unit thus the speed of the rotor is reduced.
  • the control unit thus the speed of the rotor is reduced.
  • the rotor can not be stopped immediately and immediately. Rather, the wind turbine z. B. take a few seconds to stop the rotor completely. During this time, the electric generator coupled to the rotor continues to generate electrical power which is output to the utility grid.
  • the control unit can be switched to an error mode when an error (exceeding or falling below a limit value for the parameters of the supply network) occurs in the supply network.
  • the control unit activates the chopper to convert the power generated by the generator into heat via the chopper and the at least one load resistor.
  • the electric power generated by the generator from detecting the fault in the supply network from the wind turbine when reducing the rotational speed of the rotor is converted into heat via the chopper.
  • the error represents an overfrequency in the network, which indicates that too much power is fed into the grid or that too little power is consumed.
  • the overfrequency either less energy must be fed into the supply network or more energy must be taken from the supply network.
  • the wind turbine can be used, for example, in the absence of wind and in the presence of a fault in the supply network (for example, overfrequency) to absorb power from the supply network and into heat via the chopper and the load resistor coupled thereto, so that Wind turbine then as an electrical consumer rather coupled with the supply network.
  • a fault in the supply network for example, overfrequency
  • a utility company may influence the operation of the wind turbine. This can be done in particular in the event of a fault in the supply network.
  • a wind turbine z. B. shut down in case of a fault in the supply network and the power generated during shutdown can be converted according to the invention via the chopper into heat. This can be achieved that the wind turbine is taken from the grid very quickly and does not feed power into the supply network.
  • the method according to the invention for operating the wind energy plant can also be used when an overvoltage in the network is detected.
  • a frequency change of the grid frequency can be detected and the wind turbine can, for. B. be driven down when exceeding a limit for the frequency change and the power generated thereby can be converted into heat by means of the chopper and the load resistor. This can z. B. in an emergency, the power delivered quickly lowered to zero.
  • FIG. 1A shows a schematic representation of a wind turbine according to the invention
  • FIG. 1 B is a schematic representation of a wind farm according to the invention
  • FIG. 3 is a graph showing a method according to a second embodiment of the invention.
  • FIG Fig. 4 shows a graph for illustrating the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a wind turbine according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a wind turbine according to the invention.
  • the wind energy plant 100 has a tower 102 and a pod 104.
  • a rotor 106 with three rotor blades 108 and a spinner 110 is provided at the nacelle 104.
  • the rotor 106 is set in rotation by the wind in rotation and thereby has an electric generator in the nacelle 104.
  • the pitch of the rotor blades 108 can be changed by pitch motors on the rotor blade roots of the respective rotor blades 108.
  • the wind turbine 100 further has a control unit 120 for controlling the operation of the wind turbine and an electrical consumer z. B. in the form of a chopper 400.
  • the electrical load 400 is used to consume and, in particular, convert heat to energy that the wind turbine has generated but can not deliver to the utility grid.
  • FIG. 1B shows a schematic representation of a wind farm with multiple wind turbines.
  • FIG. 2 shows in particular a wind farm 112 with three wind turbines 100, which may be the same or different.
  • the three wind turbines 100 are representative of virtually any number of wind turbines 100 of a wind farm 112.
  • the wind turbines 100 provide their power, namely, in particular, the power generated, via an electric park network 114.
  • the respective generated currents or powers of the individual wind turbines 100 are added up and optionally, a transformer 116 may be provided, which transforms the voltage in the parking network up to then at the feed point 118, which is also commonly referred to as (Point of Common Coupling) PCC to feed into the supply network 130.
  • a transformer may be provided at the output of each of the wind turbines 100.
  • At least one wind turbine 100 is provided according to an exemplary embodiment of the invention, ie it is not necessary for a wind turbine be provided park.
  • the invention is also applicable to a wind farm with multiple wind turbines.
  • a measuring unit 140 may be coupled to the utility grid 130 to detect the grid frequency, the grid voltage, and / or a change in grid frequency or grid voltage.
  • a consumer 400 for converting electrical energy z. B. provided in heat may, for example, be configured as a chopper 400.
  • the consumer may optionally have control electronics to control the operation of the consumer.
  • the electrical load 400 may be provided in the wind turbine.
  • the electrical load 400 may also be provided centrally in a wind farm.
  • a central wind farm control unit can be provided, which can control the operation of the wind farm and the operation of the respective wind turbines.
  • the central wind farm control unit FCU can activate the first and / or second operating mode for each of the wind energy installations according to the invention.
  • the central wind farm control unit FCU may have a data input, with which the power supply companies can control the central wind farm control unit FCU such that the first and / or second error mode can be activated.
  • FIG. 2 shows a graph for illustrating the method according to a first exemplary embodiment.
  • FIG. 2 shows the course of the electrical power P output by the wind energy plant over time and the course of the network frequency f over time.
  • the wind turbine according to the second embodiment may be based on the wind turbine shown in FIG.
  • the grid frequency rises above the value 50 hertz. From time t1, the power output by the wind turbine is typically reduced to zero.
  • the wind turbine has a control unit 120 for controlling the operation of the wind turbine.
  • the control unit 120 of the wind power plant receives continuously or at regular intervals, the current parameters of a supply network. These parameters can represent, for example, the mains voltage and the mains frequency.
  • the control unit 120 is configured to compare these parameters with stored limits. If the sensed parameters exceed or fall below the stored limits, then the controller 120 may switch to an error mode.
  • the wind turbine In the error mode, the wind turbine is to be controlled so that it no longer delivers electrical power to the grid.
  • the pitch angles of the rotor blades are typically changed so that the rotor blades are moved into the feathering position (minimum attack surface relative to the wind). This reduces the speed of the rotor of the wind turbine to zero.
  • the wind turbine due to the direct or indirect coupling of the rotor with the electric generator of the wind turbine electric power (in Fig. 2 shown hatched) generate and deliver to the supply network.
  • the control unit 120 is configured to activate at least one load 400 (eg a chopper and a load resistor eg in a power cabinet of the wind turbine) when activating the fault mode:
  • the power cabinet of the wind turbine has next to Chopper 400 z. B. on an inverter of the wind turbine. If the chopper 400 is activated in the wind turbine's power cabinet upon activation of the fault mode (ie, detection of a fault in the utility grid), then the electric generator power still generated by the rotor when reducing the speed of the rotor (Chopper and the load resistance) are converted into heat, for example. It can thus be achieved that the wind energy plant no longer delivers power to the supply network as soon as the fault mode is activated (that is, as soon as a fault is detected in the supply network).
  • the fault mode ie, detection of a fault in the utility grid
  • An example of a fault in the utility network is an overfrequency (ie, the frequency within the utility network is above a cutoff frequency).
  • an overfrequency ie, the frequency within the utility network is above a cutoff frequency.
  • the power delivered to the utility network must be reduced as quickly as possible.
  • the after activation of the Error mode generated by the wind turbine power according to the invention is converted by the consumer (chopper and the load resistance) into heat.
  • the power delivered by the wind energy plant to the supply network is abruptly reduced to zero.
  • a sudden shutdown of the power delivered by the wind turbine to the power grid can be made possible.
  • Another example of a fault is an internal fault of the wind turbine which has an emergency shutdown, i. H. immediate shutdown, necessary.
  • FIG 3 shows a graph for illustrating a method for controlling the wind energy plant according to a second exemplary embodiment.
  • the wind turbine acts as a consumer on the utility grid and thus can absorb power from the utility grid and convert it into heat through the chopper.
  • the wind turbine according to the first embodiment may include a power receiving mode.
  • the wind turbine can be connected as a consumer to the supply network and can draw power from the supply network. This power can then be converted into heat by the consumer 400 (chopper and the load resistor).
  • the power consumption mode may be, for. Activated by the control unit when there is no wind (i.e., the wind turbine is not delivering power to the utility grid) and an error occurs in the utility grid (such as an overfrequency).
  • the second way can be followed and the wind turbine can act as an electrical load and can receive electrical power from the supply network and through the chopper z. B. convert to heat.
  • the power receiving mode according to the second embodiment can be activated by the control unit after the wind turbine according to the first embodiment has been reduced to zero in the error mode, the power output to the power grid.
  • the control unit of the wind turbine can switch to the power consumption mode and remove electrical power from the supply network and converted by the consumer (chopper), for example, into heat.
  • the capacity of the consumer (chopper) used, as well as the number of choppers used and load resistances, defines the ability of the wind turbine to be converted into heat by the chopper in an error mode of operation to convert the power generated by the wind turbine.
  • Fig. 4 is a graph showing the relationship between the power output from the wind turbine and the grid frequency. If the frequency is within permissible limits, the maximum possible power P of the wind turbine is fed into the grid.
  • the frequency is below the limit, then more power should be delivered to the utility grid. If the frequency is above a first limit value, then the power delivered by the wind turbine into the electrical grid is reduced with increasing frequency. If the grid frequency exceeds a second threshold, then the wind turbine is downshifted, and according to the first embodiment, the electrical power generated in shutting down the wind turbine is consumed by a consumer (chopper and a load resistor) and thus not fed into the grid. Thus, from reaching a second limit, no more power is fed into the grid.
  • the wind energy installation according to the invention can have a (data) input 300, via which an energy supply company can influence the operation or the control of the wind energy plant.
  • the wind energy plant can be controlled according to a request of the power utility companies RU so that the wind turbine no longer delivers power to the grid. This may be done in accordance with the first Example, with the difference that no error in the supply network is detected, but that the activation of the error mode by the utility company EVU occurs.
  • the power consumption mode can also be activated via the power supply companies.
  • a frequency change of the network frequency can be monitored, and if the frequency change exceeds a threshold, then the fault mode according to the first embodiment can be activated.
  • the wind turbine to an emergency such. B. react a large change in frequency of the grid frequency.
  • a wind farm with a plurality of wind turbines and a central wind farm control unit is provided.
  • the central wind farm control unit can be connected to the wind energy plants via a data bus and can influence the control of the wind energy plants. This can z. B. the central wind farm control unit (farm control unit FCU) initiate activation of the error mode according to the first embodiment.
  • the error mode according to the first embodiment can be activated by the control unit of the wind turbine, by the central parking control unit or by the power supply company.

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Abstract

Es wird eine Windenergieanlage mit einem Rotor (106) mit mindestens zwei Rotorblättern (108), einem elektrischen Generator, der direkt oder indirekt mit dem Rotor (106) der Windenergieanlage gekoppelt ist und bei einer Drehung des Rotors (106) elektrische Leistung erzeugt, und einer Steuereinheit (120) zum Steuern des Betriebs der Windenergieanlage vorgesehen. Die Steuereinheit (120) aktiviert eine erste Fehlerbetriebsart, wenn Parameter eines Versorgungsnetzes über oder unter einen Grenzwert fallen. Die Steuereinheit (120) ist in der ersten Fehlerbetriebsart dazu ausgestaltet, die Drehzahl des Rotors (106) auf Null zu reduzieren und einen Verbraucher (400) zu aktivieren, um die in der Fehlerbetriebsart durch den elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung durch den Verbraucher (400) zu verbrauchen.

Description

Windenergieanlage und Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben der Windenergieanlage.
Windenergieanlagen weisen einen drehbaren Rotor auf, welcher durch die Kraft des Windes in Rotation versetzt wird. Der Rotor ist direkt oder über ein Getriebe mit einem elektrischen Generator verbunden, welcher die Drehbewegung des Rotors in elektrische Leistung umwandelt. Die erzeugte elektrische Leistung wird in ein Versorgungsnetz eingespeist. Das Versorgungsnetz besteht aus einer Mehrzahl von energieerzeugenden Einheiten (Windenergie, Kohlekraftwerk, Solarenergie etc.) und einer Vielzahl von Verbrauchern. Das Versorgungsnetzwerk weist Parameter wie beispielsweise eine Netzfre- quenz, eine Netzspannung etc. auf. Eine Aufgabe des Betreibers des Versorgungsnetzes ist es, das Versorgungsnetz so zu betreiben, dass die Parameter des Versorgungsnetzes (Netzspannung und Netzfrequenz) gewisse Grenzwerte nicht über- oder unterschreiten.
Bei bestimmten Fehlern in dem Versorgungsnetz, d. h. wenn einer der Parameter den Grenzwert über- oder unterschritten hat, wird der Betrieb der Windenergieanlage so beeinflusst, dass die Windenergieanlage herunter regelt, d. h. die Drehzahl des Rotors der Windenergieanlage wird reduziert und ggf. wird der Rotor gestoppt, so dass keine elektrische Leistung mehr erzeugt wird und in das Versorgungsnetz eingespeist wird. Aufgrund der hohen Masse des Rotors der Windenergieanlage kann der Rotor der Windenergieanlage nicht sofort gestoppt werden. Mit anderen Worten, wenn ein Fehler in dem Versorgungsnetz auftritt, dann wird die Drehzahl des Rotors der Windenergieanlage z. B. durch Pitchen der Rotorblätter (durch Veränderung des Pitchwinkels) reduziert. Hierzu können die Rotorblätter so gepitcht bzw. verdreht werden, dass eine minimale Angriffsfläche gegenüber dem Wind vorhanden ist. Da sich der Rotor der Windenergieanlage auch nach dem Auftreten eines Fehlers in dem Versorgungsnetz nach wie vor dreht, wird nach wie vor, wenn auch reduziert, eine elektrische Leistung in der Windenergieanlage erzeugt und an das elektrische Versorgungsnetz abgegeben.
In der prioritätsbegründenden deutschen Patentanmeldung hat das Deutsche Patent- und Markenamt die folgenden Dokumente recherchiert: DE 10 2005 049 426 B4; US 2007/0100506 A1 ; US 4,511 ,807 A; EP 2 075 890 A1 ; WO 99/50945 A1 ; US 2003/0193933 A1 und EP 2 621 070 A1.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Windenergieanlage und ein Verfahren zum Betreiben der Windenergieanlage vorzusehen, welche besser auf Fehler in einem Versorgungsnetz reagieren kann, an welches die Windenergieanlage angeschlossen ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Windenergieanlage nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 4 gelöst.
Somit wird eine Windenergieanlage mit einem Rotor mit mindestens zwei Rotorblättern, einem elektrischen Generator, der direkt oder indirekt mit dem Rotor der Windenergieanlage gekoppelt ist und bei einer Drehung des Rotors elektrische Leistung erzeugt, und einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Windenergieanlage vorgesehen. Die Steuereinheit aktiviert eine erste Fehlerbetriebsart, wenn Parameter eines Versorgungsnetzes über oder unter einen Grenzwert fallen. Die Steuereinheit ist in der ersten Fehler- betriebsart dazu ausgestaltet, die Drehzahl des Rotors auf Null zu reduzieren und einen Chopper zu aktivieren, um die in der Fehlerbetriebsart durch den elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung durch den Chopper zu verbrauchen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Windenergieanlage mit einem Rotor mit mindestens zwei Rotorblättern, einem elektrischen Generator, der direkt oder indirekt mit dem Rotor gekoppelt ist und bei Drehung des Rotors elektrische Leistung erzeugt und einer Steuereinheit zum Steuern des Betriebs der Windenergieanlage. Die Steuereinheit ist dazu ausgestaltet, eine zweite Fehlerbetriebsart zu aktivieren, wenn Parameter des Versorgungsnetzwerkes einen Grenzwert über- oder unterschreiten. Die Steuereinheit ist in der zweiten Fehlerbetriebsart dazu ausgestaltet, die Windenergieanlage so zu steuern, dass sie Leistung aus dem Versorgungsnetz aufnimmt und durch den Chopper verbraucht.
Die Erfindung betrifft einen Gedanken, eine Windenergieanlage mit einem Leistungs- schrank vorzusehen, welcher Leistungselektronik wie z. B. einen Wechselrichter aufweist. In dem Leistungsschrank wird ferner ein Chopper vorgesehen, der mit einem Lastwiderstand gekoppelt ist. Die Windenergieanlage weist eine Steuereinheit auf, welche die Drehzahl des Rotors der Windenergieanlage durch Ändern des Pitchwinkels der Rotorblätter reduziert, wenn ein Fehler wie z. B. eine Überfrequenz in dem Versorgungsnetz erfasst wird. Durch die Steuereinheit wird somit die Drehzahl des Rotors reduziert. Auf- grund der hohen Masse des Rotors der Windenergieanlage lässt sich der Rotor jedoch nicht unmittelbar und sofort stoppen. Vielmehr wird die Windenergieanlage z. B. ein paar Sekunden benötigen, um den Rotor komplett zu stoppen. Während dieser Zeit erzeugt der mit dem Rotor gekoppelte elektrische Generator weiterhin elektrische Leistung, welche an das Versorgungsnetz ausgegeben wird.
Gemäß der Erfindung kann die Steuereinheit in eine Fehlerbetriebsart umgeschaltet werden, wenn ein Fehler (Überschreiten bzw. Unterschreiten eines Grenzwertes für die Parameter des Versorgungsnetzes) in dem Versorgungsnetz auftritt. In der Fehlerbetriebsart aktiviert die Steuereinheit den Chopper, um die durch den Generator erzeugte Leistung über den Chopper und den mindestens einen Lastwiderstand in Wärme umzuwandeln. Die durch den Generator ab Erfassen des Fehlers in dem Versorgungsnetz von der Windenergieanlage bei der Reduzierung der Drehzahl des Rotors erzeugte elektrische Leistung wird über den Chopper in Wärme umgewandelt. Somit kann erreicht werden, dass die Windenergieanlage ab Erfassen eines Fehlers in dem Versorgungsnetz (d. h. schlagartig) keine Leistung mehr in das Versorgungsnetz einspeist.
Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn der Fehler eine Überfrequenz in dem Netz darstellt, welche anzeigt, dass zu viel Leistung in das Versorgungsnetz eingespeist wird bzw. dass zu wenig Leistung verbraucht wird. Um die Überfrequenz zu reduzieren, muss entweder weniger Energie in das Versorgungsnetz eingespeist oder mehr Energie aus dem Ver- sorgungsnetz entnommen werden. Durch die erfindungsgemäße Aktivierung des Choppers zum Umwandeln der in der Fehlerbetriebsart erzeugten Leistung der Windenergieanlage kann die Windenergieanlage sehr schnell, d. h. praktisch ab Auftreten eines Fehlers in dem Versorgungsnetzwerk keine Leistung mehr in das Versorgungsnetz einspeisen, so dass die Windenergieanlage sehr sehr schnell auf einen Fehler im Ver- sorgungsnetz insbesondere bei einer Überfrequenz reagieren kann und somit netzstützend eingreifen kann. Gemäß der Erfindung kann die von einer Windenergieanlage erzeugte Leistung unmittelbar und schlagartig nicht mehr in das Versorgungsnetz eingespeist werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Windenergieanlage zum Beispiel bei Windstille und bei Auftreten eines Fehlers in dem Versorgungsnetz (beispielsweise Überfrequenz) dazu verwendet werden, Leistung aus dem Versorgungsnetz aufzunehmen und über den Chopper und den damit gekoppelten Lastwiderstand in Wärme umzuwandeln, so dass die Windenergieanlage dann als ein elektrischer Verbrau- eher mit dem Versorgungsnetz gekoppelt ist. Somit kann durch die Windenergieanlage sehr schnell elektrische Leistung aus dem Versorgungsnetz entnommen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Energieversorgungsunternehmen Einfluss auf den Betrieb der Windenergieanlage nehmen. Dies kann insbesondere bei einem Fehler in dem Versorgungsnetz erfolgen. Gemäß der Erfindung kann auf Anforderung des Energieversorgungsunternehmens EVU eine Windenergieanlage z. B. bei einem Fehler in dem Versorgungsnetz heruntergefahren werden und die beim Herunterfahren erzeugte Leistung kann erfindungsgemäß über den Chopper in Wärme umgewandelt werden. Damit kann erreicht werden, dass die Windenergieanlage sehr schnell vom Netz genommen wird und dabei keine Leistung in das Versorgungsnetz einspeist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Windenergieanlage kann auch angewendet werden, wenn eine Überspannung in dem Netz erfasst wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Frequenzänderung der Netzfrequenz erfasst werden und die Windenergieanlage kann z. B. bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Frequenzänderung herunter gefahren werden und die dabei erzeugte Leistung kann mittels des Choppers und des Lastwiderstandes in Wärme umgewandelt werden. Damit kann z. B. in einem Notfall die abgegebene Leistung schnell auf Null abgesenkt werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1A zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung,
Fig. 1 B schematische Darstellung eines Windparks gemäß der Er-
Fig. 2 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 4 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. Die Windenergieanlage 100 weist einen Turm 102 und eine Gondel 104 auf. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 vorgesehen. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und hat dadurch einen elektrischen Generator in der Gondel 104. Der Pitch der Rotorblätter 108 kann durch Pitchmotoren an den Rotorblattwurzeln der jeweiligen Rotorblätter 108 verändert werden.
Die Windenergieanlage 100 weist femer eine Steuereinheit 120 zum Steuern des Betriebs der Windenergieanlage und einen elektrischen Verbraucher z. B. in Form eines Choppers 400 auf. Der elektrische Verbraucher 400 wird dazu verwendet, Energie, die die Windenergieanlage erzeugt hat, aber nicht an das Versorgungsnetzwerk abgeben kann, zu verbrauchen und insbesondere in Wärme umzuwandeln.
Fig. 1 B zeigt eine schematische Darstellung eines Windparks mit mehreren Windenergieanlagen. In Fig. 2 ist insbesondere ein Windpark 112 mit drei Windenergieanlagen 100 gezeigt, die gleich oder verschieden sein können. Die drei Windenergieanlagen 100 stehen repräsentativ für im Grunde eine beliebige Anzahl von Windenergieanlagen 100 eines Windparks 112. Die Windenergieanlagen 100 stellen ihre Leistung, nämlich insbesondere den erzeugten Strom, über ein elektrisches Parknetz 114 bereit. Dabei werden die jeweils erzeugten Ströme bzw. Leistungen der einzelnen Windenergieanlagen 100 aufaddiert und optional kann ein Transformator 116 vorgesehen sein, der die Spannung im Parknetz hochtransformiert, um dann an dem Einspeisepunkt 118, der auch allgemein als (Point of Common Coupling) PCC bezeichnet wird, in das Versorgungsnetz 130 einzuspeisen. In Fig. 1 B ist nur eine vereinfachte Darstellung eines Windparks 112 gezeigt, die beispielsweise keine Steuerung zeigt, obwohl natürlich eine Steuerung vorhanden sein kann. Optional kann ein Transformator am Ausgang jeder der Windenergieanla- gen 100 vorgesehen sein.
Gemäß der Erfindung ist mindestens eine Windenergieanlage 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, d. h. es muss nicht notwendigerweise ein Wind- park vorgesehen sein. Die Erfindung ist aber auch auf einen Windpark mit mehreren Windenergieanlagen anwendbar.
Optional kann eine Messeinheit 140 mit dem Versorgungsnetz 130 gekoppelt sein, um die Netzfrequenz, die Netzspannung und/oder eine Änderung der Netzfrequenz oder der Netzspannung zu erfassen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verbraucher 400 zum Umwandeln von elektrischer Energie z. B. in Wärme vorgesehen. Der Verbraucher kann beispielsweise als ein Chopper 400 ausgestaltet sein. Der Verbraucher kann optional eine Steuerelektronik aufweisen, um den Betrieb des Verbrauchers zu steuern. Der elektrische Verbraucher 400 kann in der Windenergieanlage vorgesehen sein. Optional kann der elektrische Verbraucher 400 auch zentral in einem Windpark vorgesehen sein.
Optional kann eine zentrale Windparksteuereinheit (Farm Control Unit) FCU vorgesehen sein, welche den Betrieb des Windparks und den Betrieb der jeweiligen Windanlagen steuern kann. Die zentrale Windparksteuereinheit FCU kann hierbei gemäß der Erfindung die erste und/oder zweite Betriebsart für jede der Windenergieanlagen aktivieren. Optional kann die zentrale Windparksteuereinheit FCU einen Dateneingang aufweisen, mit welchem die Energieversorgungsunternehmen die zentrale Windparksteuereinheit FCU derart steuern können, dass die erste und/oder zweite Fehlerbetriebsart aktiviert werden kann.
Fig. 2 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In Fig. 2 ist der Verlauf der durch die Windenergieanlage abgegebenen elektrischen Leistung P über die Zeit sowie der Verlauf der Netzfrequenz f über die Zeit gezeigt. Die Windenergieanlage gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann auf der in Fig. 1 gezeigten Windenergieanlage beruhen. Zum Zeitpunkt t1 tritt ein Fehler in dem Versorgungsnetz auf. Die Netzfrequenz steigt über den Wert 50 Hertz an. Ab dem Zeitpunkt t1 wird die durch die Windenergieanlage abgegebene Leistung typischerweise auf Null reduziert.
Die Windenergieanlage weist eine Steuereinheit 120 zum Steuern des Betriebs der Windenergieanlage auf. Die Steuereinheit 120 der Windenergieanlage erhält kontinuierlich oder in regelmäßigen Abständen die aktuellen Parameter eines Versorgungsnetzes. Diese Parameter können beispielsweise die Netzspannung und die Netzfrequenz darstellen. Die Steuereinheit 120 ist dazu ausgestaltet, diese Parameter mit gespeicherten Grenzwerten zu vergleichen. Wenn die erfassten Parameter die gespeicherten Grenzwerte über- oder unterschreiten, dann kann die Steuereinheit 120 in eine Fehlerbetriebsart umschalten.
In der Fehlerbetriebsart soll die Windenergieanlage so gesteuert werden, dass sie keine elektrische Leistung mehr an das Versorgungsnetz abgibt. Dazu werden typischerweise die Pitchwinkel der Rotorblätter so verändert, dass die Rotorblätter in die Fahnenstellung (minimale Angriffsfläche gegenüber dem Wind) verfahren werden. Damit wird die Dreh- zahl des Rotors der Windenergieanlage auf Null reduziert. Während der Zeit, bis die Drehzahl des Rotors auf Null runtergeht, wird die Windenergieanlage aufgrund der direkten oder indirekten Kopplung des Rotors mit dem elektrischen Generator der Windenergieanlage elektrische Leistung (in Fig. 2 schraffiert dargestellt) erzeugen und an das Versorgungsnetz abgeben. Gemäß der Erfindung ist die Steuereinheit 120 dazu ausgestaltet, bei der Aktivierung der Fehlerbetriebsart ebenfalls mindestens einen Verbraucher 400 (z. B. einen Chopper und einen Lastwiderstand z. B. in einem Leistungsschrank der Windenergieanlage) zu aktivieren: Der Leistungsschrank der Windenergieanlage weist neben dem Chopper 400 z. B. einen Wechselrichter der Windenergieanlage auf. Wenn der Chopper 400 im Leistungs- schrank der Windenergieanlage bei der Aktivierung der Fehlerbetriebsart (d. h. bei Erfassen eines Fehlers in dem Versorgungsnetz) aktiviert wird, dann kann die bei der Reduzierung der Drehzahl des Rotors immer noch erzeugte Leistung des elektrischen Generators über den Verbraucher (Chopper und den Lastwiderstand) beispielsweise in Wärme umgewandelt werden. Damit kann erreicht werden, dass die Windenergieanlage keine Leistung mehr in das Versorgungsnetz abgibt, sobald die Fehlerbetriebsart aktiviert wird (d. h. sobald ein Fehler in dem Versorgungsnetz erfasst wird).
Ein Beispiel eines Fehlers in dem Versorgungsnetzwerk ist eine Überfrequenz (d. h. die Frequenz innerhalb des Versorgungsnetzwerkes ist oberhalb einer Grenzfrequenz). In einem derartigen Fall wird zu viel Leistung in das Versorgungsnetz abgegeben und zu wenig Leistung aus dem Versorgungsnetz entnommen. Zur Reduzierung der Überfrequenz muss somit die in das Versorgungsnetzwerk abgegebene Leistung so schnell wie möglich reduziert werden. Dies kann erfindungsgemäß durch Aktivierung der Fehlerbetriebsart erreicht werden. Nach Aktivierung der Fehlerbetriebsart wird die Windenergieanlage keine Leistung mehr an das Versorgungsnetz abgeben. Die nach der Aktivierung der Fehlerbetriebsart durch die Windenergieanlage erzeugte Leistung wird erfindungsgemäß durch den Verbraucher (Chopper und den Lastwiderstand) in Wärme umgewandelt. Somit kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass die von der Windenergieanlage an das Versorgungsnetz abgegebene Leistung abrupt auf Null reduziert wird. Somit kann ein schlagartiges Herunterfahren der durch die Windenergieanlage an das Versorgungsnetz abgegebenen Leistung ermöglicht werden.
Ein weiteres Beispiel eines Fehlers ist ein interner Fehler der Windenergieanlage, der eine Notabschaltung, d. h. sofortige Abschaltung, notwendig macht.
Fig. 3 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Steuern der Windenergieanlage gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt die Windenergieanlage als ein Verbraucher an dem Versorgungsnetz und kann somit Leistung aus dem Versorgungsnetz aufnehmen und durch den Chopper in Wärme umwandeln.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Windenergieanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Leistungsaufnahmebetriebsart aufweisen. In dieser Betriebsart kann die Windenergieanlage als ein Verbraucher an das Versorgungsnetz angeschlossen werden und kann Leistung aus dem Versorgungsnetz entnehmen. Diese Leistung kann dann durch den Verbraucher 400 (Chopper und den Lastwiderstand) in Wärme umgewandelt werden. Die Leistungsaufnahmebetriebsart kann z. B. durch die Steuereinheit aktiviert werden, wenn Windstille herrscht (d. h. die Windenergieanlage gibt keine Leistung an das Versorgungsnetz ab) und ein Fehler tritt in dem Versorgungsnetz (wie beispielsweise eine Überfrequenz) auf. Wie oben beschrieben, muss in einem solchen Fall entweder die an das Netz abgegebene Leistung reduziert oder die aus dem Netz entnommene Leistung erhöht werden. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann dem zweiten Weg gefolgt werden und die Windenergieanlage kann als ein elektrischer Verbraucher wirken und kann elektrische Leistung aus dem Versorgungsnetz aufnehmen und über den Chopper z. B. in Wärme umwandeln.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel kann die Leistungsaufnahmebetriebsart ge- mäß dem zweiten Ausführungsbeispiel durch die Steuereinheit aktiviert werden, nachdem die Windenergieanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in der Fehlerbetriebsart die Leistungsabgabe an das Versorgungsnetz auf Null reduziert worden ist. Mit anderen Worten, sobald die Leistungsabgabe der Windenergieanlage an das Versorgungsnetz auf Null reduziert worden ist, kann die Steuereinheit der Windenergieanlage in die Leistungsaufnahmebetriebsart umschalten und elektrische Leistung aus dem Versorgungsnetz entnehmen und durch den Verbraucher (Chopper) beispielsweise in Wärme umwandeln. Durch die Kapazität des verwendeten Verbrauchers (Choppers) sowie durch die Anzahl der verwendeten Chopper sowie der Lastwiderstände wird die Fähigkeit der Windenergieanlage definiert bzw. begrenzt in einer Fehlerbetriebsart, die von der Windenergieanlage erzeugten Leistung durch den Chopper in Wärme umzuwandeln. Wichtig ist hierbei insbesondere, wie viel Leistung über welchen Zeitrahmen durch den Chopper aufzuneh- men ist. Wenn weniger Leistung durch den oder die Chopper aufzunehmen ist, dann ist dies über einen längeren Zeitraum möglich. Wenn jedoch mehr über den Chopper beispielsweise in Wärme umgewandelt werden muss, dann kann dies in einem kleineren Zeitraum erfolgen.
Fig. 4 zeigt einen Graphen zur Veranschaulichung des Verhältnisses zwischen der von der Windenergieanlage abgegebenen Leistung und der Netzfrequenz. Sofern die Frequenz sich innerhalb zulässiger Grenzwerte befindet, wird die maximal mögliche Leistung P der Windenergieanlage in das Versorgungsnetz eingespeist.
Wenn die Frequenz unterhalb des Grenzwertes ist, dann soll mehr Leistung in das Versorgungsnetz abgegeben werden. Wenn die Frequenz oberhalb eines ersten Grenzwer- tes ist, dann wird die von der Windenergieanlage in das elektrische Netz abgegebene Leistung mit zunehmender Frequenz reduziert. Wenn die Netzfrequenz einen zweiten Grenzwert überschreitet, dann wird die Windenergieanlage herunter geregelt und gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die bei dem Herunterregeln der Windenergieanlage erzeugte elektrische Leistung über einen Verbraucher (Chopper und einen Lastwider- stand) verbraucht und damit nicht in das Versorgungsnetz eingespeist. Somit wird ab Erreichen eines zweiten Grenzwertes keine Leistung mehr in das Versorgungsnetz eingespeist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Windenergieanlage einen (Daten-)Eingang 300 aufweisen, über welchen ein Energieversorgungsunter- nehmen EVU Einfluss auf den Betrieb bzw. die Steuerung der Windenergieanlage nehmen kann. Hierbei kann die Windenergieanlage nach einer Aufforderung der Energieversorgungsunternehmen EVU so gesteuert werden, dass die Windenergieanlage keine Leistung mehr an das Versorgungsnetz abgibt. Dies kann gemäß dem ersten Ausfüh- rungsbeispiel erfolgen mit dem Unterschied, dass kein Fehler in dem Versorgungsnetz erfasst wird, sondern dass die Aktivierung der Fehlerbetriebsart durch das Energieversorgungsunternehmen EVU erfolgt.
Die Leistungsaufnahmebetriebsart kann ebenfalls über die Energieversorgungsunter- nehmen aktiviert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Frequenzänderung der Netzfrequenz überwacht werden und wenn die Frequenzänderung einen Grenzwert überschreitet, dann kann die Fehlerbetriebsart gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aktiviert werden. Somit kann die Windenergieanlage auf einen Notfall wie z. B. eine große Frequenzänderung der Netzfrequenz reagieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Windpark mit einer Mehrzahl von Windenergieanlagen und einer zentralen Windparksteuereinheit vorgesehen. Die zentrale Windparksteuereinheit kann über einen Datenbus mit den Windenergieanlagen verbunden sein und kann Einfluss nehmen auf die Steuerung der Windener- gieanlagen. Damit kann z. B. die zentrale Windparksteuereinheit (farm control unit FCU) eine Aktivierung der Fehlerbetriebsart gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel initiieren.
Damit kann die Fehlerbetriebsart gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch die Steuereinheit der Windenergieanlage, durch die zentrale Parksteuereinheit oder durch das Energieversorgungsunternehmen aktiviert werden.

Claims

Ansprüche
1. Windenergieanlage, mit
einem Rotor (106) mit mindestens zwei Rotorblättern (108),
einem elektrischen Generator (200), der direkt oder indirekt mit dem Rotor (106) der Windenergieanlage gekoppelt ist und bei einer Drehung des Rotors (106) elektrische Leistung erzeugt, und
einer Steuereinheit (120) zum Steuern des Betriebs der Windenergieanlage, wobei die Steuereinheit (120) eine erste Fehlerbetriebsart aktiviert, wenn Parameter eines Versorgungsnetzes (130) über oder unter einen Grenzwert fallen,
wobei die Steuereinheit (120) in der ersten Fehlerbetriebsart dazu ausgestaltet ist, die Drehzahl des Rotors (106) auf Null zu reduzieren und einen elektrischen Verbraucher (400) zu aktivieren, um die in der Fehlerbetriebsart durch den elektrischen Generator (200) erzeugte elektrische Leistung durch den elektrischen Verbraucher (400) zu verbrauchen.
2. Windenergieanlage nach Anspruch 1 , wobei
die Parameter des Versorgungsnetzes (130) die Netzfrequenz, die Netzspannung und/oder die Änderung der Netzfrequenz oder der Netzspannung darstellen, die durch eine Messeinheit (140) gemessen werden können, die mit dem Versorgungsnetzwerk (130) gekoppelt ist.
3. Windenergieanlage, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 2, mit
einem Rotor (106) mit mindestens zwei Rotorblättern (108),
einem elektrischen Generator (200), der direkt oder indirekt mit dem Rotor (106) gekoppelt ist und bei Drehung des Rotors (106) elektrische Leistung erzeugt, und
einer Steuereinheit (120) zum Steuern des Betriebs der Windenergieanlage, wobei die Steuereinheit (120) dazu ausgestaltet ist, eine zweite Fehlerbetriebsart zu aktivieren, wenn Parameter des Versorgungsnetzwerkes einen Grenzwert über- oder unterschreiten, wobei die Steuereinheit (120) in der zweiten Fehlerbetriebsart dazu ausgestaltet ist, die Windenergieanlage so zu steuern, dass sie Leistung aus dem Versorgungsnetz aufnimmt und durch den elektrischen Verbraucher (400) verbraucht.
4. Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit
einem Dateneingang (300), über welchen ein Energieversorgungsunternehmen Einfluss auf die Steuerung der Windenergieanlage nehmen kann.
5. Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage, die einen Rotor (106) mit mindestens zwei Rotorblättern (108), einen elektrischen Generator (200), der direkt oder indirekt mit dem Rotor (106) gekoppelt ist und bei einer Drehung des Rotors (106) elektrische Leistung erzeugt, mit den Schritten:
Aktivieren einer ersten Fehlerbetriebsart durch eine Steuereinheit (120), wenn Parameter eines Versorgungsnetzes über oder unter einen Grenzwert fallen,
Reduzieren der Drehzahl des Rotors auf Null und Aktivieren eines elektrischen Verbrauchers (400), um die in der Fehlerbetriebsart durch den elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung durch den elektrischen Verbraucher (400) zu verbrauchen.
6. Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage nach Anspruch 5, ferner mit den Schritten:
Aktivieren einer zweiten Fehlerbetriebsart durch die Steuereinheit, wenn Parameter des Versorgungsnetzwerkes (130) einen Grenzwert über- oder unterschreiten, und
Steuern der Windenergieanlage, so dass sie Leistung aus dem Versorgungsnetz aufnimmt und durch den elektrischen Verbraucher (400) verbraucht.
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