WO2010069450A2 - Stationäre energiegewinnungsanlage mit einer einrichtung zur dämpfung mechanischer schwingungen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an energy production plant with a device for damping mechanical vibrations.
- the energy recovery system has at least one mechanically driven rotor and a generator mechanically coupled to the rotor.
- the invention discloses a system for active damping of mechanical vibrations of the power generation plant. This damping is to be achieved independently of the load or the network from a combination of electrical components, such as a generator and mechanical E- elements such as a transmission and their interactions with corresponding damping devices.
- energy may flow in different directions, e.g. from a mechanical energy source to a generator and from this into an electrical sink via a power electronics to an electrical network or an electrical storage system and vice versa from an electrical energy generator such as a generator via an upstream transmission gear to the mechanical drive via a drive shaft, so that a bidirectional energy flow is possible in such energy recovery systems.
- FIG. 9 shows a schematic diagram of a wind power plant 7 with a rotor 8 which sets the wind power in the direction of arrow A according to the angle of attack of the rotor blades 28 in rotation.
- the rotor blades 28 depending on the wind force in the direction of arrow B different angles of attack, also called pitch, occupy.
- the torque MT generated by the wind with the aid of the rotor 8 is transmitted to a generator 9 via a drive shaft 20 and, in this state of the art, via an intermediate transmission 22 to an output shaft 21 with the aid of the drive train 30.
- the generator is in operative connection with a power electronics 14, which ensures that, despite different flow conditions in the incoming air and thus despite different torques in the drive train 30, the
- FIGS. 10A to 10D show torque curves with respect to the energy production plant shown in FIG. 9 using the example of a wind turbine 7.
- FIG. 10A shows the torsional moment MT acting on the drive shaft 20 from the rotor, as shown in FIG. It can wind gusts 29 as Torque peaks in the course of the torsional Mj over the time t effect, while the tower shadow 31 causes a slump in the torsional moment M ⁇ .
- These changes and disturbances can lead to low frequency oscillations in the range of a few tenths of Hz to a few Hz, which mean alternating loads for the drive train 30.
- the course of the torsional moment as shown in FIG.
- FIG. 10A is formed in the acceleration of the drive train with the acceleration moment MB in the same sequence, as shown in FIG. 10B.
- the power electronics connected downstream of the generator 9 ensure that the generator torque MG in the air gap corresponds approximately to the average torque M N , as shown in FIG. 10C, so that correspondingly a constant power P N , as shown in FIG Network or the load 10 is fed.
- the power electronics 14 shown in Figure 11 in the form of a three-phase frequency converter upstream.
- the input of the inverter is pre-smoothed by an input matching block 32 with L-filters and C-filters to supply a sinusoidal generator voltage waveform 37 as a downstream 3-phase input rectifier 33, which is a smoothed DC link voltage by means of a latch 16, which is here an electrostatic capacitor stores.
- the generated inverter voltage UWR is stored as a nearly constant intermediate circuit voltage UZK in the intermediate circuit memory 34, as shown in FIG. 11B, and then by using six times (6-B) output phase inverter 35 and output block 36 with L-filters and C-filters a sinusoidal line voltage waveform 38, as shown in Figure 11C, to deliver via a transformer 39 to the network 10.
- the present invention has the object to provide a stationary power generation plant with a device for damping mechanical vibrations, which operates independently of a coupled electrical network and at the same time does not convert energy into non-usable forms of energy. It is another object of the invention to provide a method for the active damping of vibrations in an energy production plant.
- an energy recovery system is provided with a device for damping mechanical vibrations.
- the energy recovery system has at least one rotor driven by a fluid and a generator mechanically coupled to the rotor.
- the energy recovery system comprises a damping device for damping mechanical vibrations and at least one mechanical, hydraulic, chemical or electrical storage element which compensates or damps a vibration or disturbance occurring in a drive train through energy exchange or energy suppression.
- An advantage of this power generation plant or the method is that the device for damping regardless of the load or from the network to which the power generation plant can be connected, so that even with decoupled network, the device for damping is effective.
- the advantage is that vibrations or disturbances occurring in a drive train are not compensated or dampened by energy destruction as in the prior art, but by energy exchange. This means that the energy or the energy storage made possible by mechanical vibrations is subsequently returned to the system.
- a controllable memory for receiving energy is arranged at least in a power electronics, which varies the absorption of energy as a function of a mechanical vibration load of the power plant.
- the power electronics may have a power electronic actuator with an electrical intermediate circuit, as already described above, wherein the intermediate circuit has a first intermediate circuit memory, for example in the form of an intermediate capacitor, as shown above with the prior art, to which an o the multiple additional intermediate circuit memory with variable power consumption can be connected in parallel.
- These additional intermediate circuit memories can be, for example, capacitors with more than a hundred times the electrical capacity or represent batteries, for example, of lithium-ion cells.
- This memory must be able to store different levels of energy flux at the relatively low frequency of a few tenths of Hz to tens of Hz and at reduced torques can deliver this stored energy, so that it is not necessary to keep constant the generator torque in the air gap as in the prior art Rather, it is to be varied so that the torque in the drive train, despite a widely varying torque on the rotor, is kept almost constant, since the generator torque in the air gap decreases synchronously with the tower shadow and can increase at corresponding wind gusts, since the absorption of energy in the controllable memory of the power electronics as a function of the mechanical vibration load of the power generation plant varies.
- the power electronics preferably have a three-phase converter or frequency converter with an electronic intermediate circuit, wherein the intermediate circuit has a first intermediate circuit memory, to which a second additional intermediate circuit memory is connected in parallel with variable energy consumption as mentioned above.
- Energy flow upstream from the power electronics with electronic nischer intermediate circuit of the generator is arranged.
- different memories for recording the energy flow in the case of mechanical oscillations or disturbance variables of the drive train can be picked up at the stator output and at the rotor output before the electronic intermediate circuit memory and the power electronics.
- a mechanical memory via an electromechanical transducer, which cooperates with the rotor of the generator for damping a vibration or a disturbance, store mechanical energy and return the stored energy regulated.
- a similar mechanical memory may alternatively or additionally be in operative connection with the rotor of the generator and store mechanical energy which is subsequently returned via an electric motor, for example.
- mechanical storage can be arranged preferably at the output of the generator rotating flywheel masses.
- a dual mass flywheel for vibration damping in the waves of the drive train.
- the dual-mass flywheel is tuned to the typical natural and excitation frequencies in the drive train.
- These dual-mass flywheels in the drive branch can smooth different damaging torsional vibrations as switchable dual-mass flywheels, thus increasing the service life and thus the availability of the components of an energy-generating plant. It also makes it possible to reduce the sizing of the components. A regulation is not required for the use of dual-mass flywheels.
- a power electronic actuator which interacts with the rotor and / or with the stator of the generator, the electrical energy that can be obtained from mechanical vibrations or disturbances, and store electromechanically or electrically this energy traced back within the plant.
- the generator memory Prior to the input of the generator memory can be arranged, which are either purely mechanical or elecomechanchanischaufladbar.
- a damping element is arranged directly on the drive shaft, as an electromechanical converter, such as an eddy current brake dissipates energy to a memory and as an electric motor, the energy returns.
- a soft spring setting is selected so that some of the rotational energy is stored in the form of potential energy in the torsion spring. If the torque on the shaft drops temporarily, the energy from the spring is released again. At medium torque, the spring can be bridged by means of a coupling, so that no energy exchange with the spring takes place.
- the energy recovery system has a transmission gear, to provide a transmission branching for mechanical energy in the transmission gear, which is mechanically storable and electromechanically retrievable or electrically stored via an electromechanical transducer and finally fed from the electrical memory in turn into the system can be.
- a method for damping an oscillation or a disturbance variable of an energy-generating plant with at least one mechanically driven rotor and a generator mechanically coupled to the rotor can have power electronics so that a variable energy flow from the rotor through the generator and the power electronics to the load becomes.
- the output power to the load remains constant, as a mechanical or electric storage element of the energy recovery system compensates or damps a vibration occurring in a drive train or disturbance variable by energy exchange.
- Such a method has the advantage that it operates independently of the mains by appropriate regulation of the energy flows in the energy production plant, so that disturbances in the load range during disconnection of the network do not affect the functionality of the energy production plant.
- an attenuation of a vibration or a disturbing variable is achieved.
- damping of a vibration or disturbance can also be achieved by branching off a power flow from a transmission located between the rotor and the generator by coupling a downstream device to the transmission branch.
- an additional mechanical or electrical memory in cooperation with the rotor and / or the stator of the generator, it is possible to achieve damping of a vibration or a disturbing variable in the energy production plant.
- FIG. 1 shows a schematic diagram of a power generation plant according to a first embodiment of the invention
- FIG. 2 shows a schematic diagram of an energy production plant according to a second embodiment of the invention
- FIG. 3 shows schematic diagrams of torque curves over the
- FIG. 4 shows a schematic diagram of a power generation plant according to a third embodiment of the invention.
- FIG. 5 shows a schematic diagram of an energy production plant according to a fourth embodiment of the invention.
- FIG. 6 shows a schematic diagram of an energy production plant in accordance with FIG.
- FIG. 7 shows a schematic cross section through a drive train of a power generation plant according to a sixth embodiment of the invention.
- FIG. 8 shows a schematic diagram of a torque curve over time for the embodiment according to FIG. 7;
- Figure 9 shows a schematic diagram of a wind turbine according to the prior
- FIG. 10 shows schematic diagrams of torque curves in a wind power plant according to FIG. 9;
- FIG. 11 shows a schematic circuit diagram of a power electronics of a wind power plant according to FIG. 9.
- FIG. 1 shows a schematic diagram of a stationary power generation plant 1 according to a first embodiment of the invention.
- This energy production plant 1 converts wind energy, which acts in the direction of arrow C on a rotor 8, via a generator 9 and a power electronics 14 into electrical energy, which is then inserted into a grid or load 10 via a transformer 39. is fed.
- a transmission gear 22 is disposed between the rotor 8 and the generator 9, which translates the rotational frequency of a few tenths Hz to tens of Hz of the drive shaft 20 caused by the rotor 8 in a higher rotational speed of the output shaft 21 ,
- the mechanical storage elements 11 and the electrical storage elements 12 can be fed by different attenuators 46 to 48.
- an electromechanical tap in the form of, for example, an eddy current brake 18 is provided directly on the output shaft 20, which can supply both an electrical memory 12 via an electromechanical transducer 13 or an A / D converter 43 and a mechanical memory 11 as a flywheel directly.
- an electromechanical pickup can be provided as a damping device in the form of an eddy current brake 18 on the output shaft 21 of the transmission gear 22, which on the one hand can directly charge a mechanical accumulator 11 in the form of a flywheel, for example, or via an electromagnetic converter 13 or an A / D converter can supply the eddy current energy to an electric storage 12.
- a power flow can also be diverted from the transmission gear 22 via a transmission branch 25, which in turn can charge an electrical memory 12 or directly a mechanical memory 11 via an electromechanical converter 13 or an A / D converter 43.
- a transmission branch 25 which in turn can charge an electrical memory 12 or directly a mechanical memory 11 via an electromechanical converter 13 or an A / D converter 43.
- Chances of vibrations in the drive train 30 it is also possible to provide at the generator output 40 before the power electronics 14 corresponding storage and damping devices, which can return the stored energy to relieve the drive train 30 by means of the stator or the rotor of the generator 9.
- a power electronic actuator 26 connected to the stator and / or the rotor at the output 40 of the generator 9, wherein this actuator introduces electrical energy into an electrical memory 12 and thus either a battery, such as a lithium-ion battery, a sweaterkonden - Sator as an electrolytic capacitor or a double-layer capacitor, an inductive or chemical storage charges.
- a battery such as a lithium-ion battery, a sweaterkonden - Sator as an electrolytic capacitor or a double-layer capacitor, an inductive or chemical storage charges.
- the electrical energy present at the stator or at the rotor supplies an alternating current, it can also be introduced directly into a rotating mechanical flywheel of a mechanical accumulator 11. Again, an electromechanical transducer is required, which converts the excitation frequency in at driving torque peaks in an increase rotational frequency. Conversely, the energy stored in the mechanical accumulator 11 can be fed back via corresponding electric or eddy current motors 19 into the drive shaft 20, into the transmission branch 25 or into the output shaft 21 at drive torque minimums.
- the intermediate circuit memory 34 known from the prior art can be provided as the first intermediate circuit memory 16 in the power electronics 14.
- An additional second intermediate circuit memory 17 with a multiple storage capacity compared to the first intermediate circuit memory 16, as known from the prior art, can be connected as a controllable memory 15 parallel to the first latch 16 to the energy of mechanical overshoots of the drive train 30 as electrical energy to store, which can be supplied to the drive train 30 in Schwingungstälern via a transducer 13, and thus ensures a uniform load of the drive train 30.
- FIG. 2 shows a schematic diagram of an energy production plant 2 of a second embodiment of the invention. Components having the same functions as in the previous figures are identified by the same reference numerals and will not be discussed separately.
- a control unit 41 is arranged, which controls the various attenuators 46 to 49, as shown in Figure 1 in the drive train 30 on the generator 9 and the power electronics 14 and to evaluate sensor signals of these components to optimally mechanical vibrations in the drive train 30 to dampen.
- FIG. 3 shows schematic diagrams 3A to 3D of torque curves M over time t in an energy production plant according to FIG. 1 or FIG. 2 of the invention.
- a comparison of these diagrams according to FIG. 3A to FIG. 3D to the diagrams according to FIG. 10A and FIG. 10D of the prior art clearly shows the advantages of the energy recovery systems 1 and 2 according to the invention.
- FIG. 3A shows the course of the torsion element MT coming from the rotor on the drive shaft 20, as shown in Figures 1 and 2, acts.
- the components of the drive train with significantly lower areal masses and thus can be realized with significantly lower weight and for an average torque M N and significantly lowerbutechsch- be interpreted.
- Due to the memory elements 11 and 12 for the attenuators 46 to 49, as shown in Figure 1, can now, as Figure 3C shows , the generator torque by an average value MN in analogy to the driving torsion element M ⁇ , as it is predetermined in Figure 3A by the wind loads vary.
- the corresponding power peaks, as shown in FIG. 3D are compensated by the provided memory elements 11 and 12 of the attenuators 46 to 49 in cooperation with the control unit 41 of FIG. 2 of the embodiment, so that an average power PN to the network or to the load can be delivered.
- FIG. 4 shows a schematic diagram of a power generation plant 3 according to a third embodiment of the invention.
- Components having the same functions as in the previous figures are identified by the same reference numerals and will not be discussed separately.
- the difference from FIG. 1 is that in this embodiment of the invention only the additional second intermediate circuit memory 17 is provided with respect to the first intermediate circuit memory 16 known in the prior art, the intermediate memory 17 comprising a D / D converter 42 which the variable memory element 15 charges.
- FIG. 5 shows a schematic diagram of a power generation plant 4 according to a fourth embodiment of the invention.
- the difference from the previous embodiment of the invention is that now additionally a cooperating with the stator or with the rotor of the generator 9 attenuator 46 is provided from an A / D converter and an electric memory 12 in addition to the variable memory 15 in the intermediate circuit
- FIG. 6 shows a schematic diagram of a power generation plant 5 according to a fifth embodiment of the invention, wherein components having the same functions as in FIGS. 4 and 5 are identified by the same reference symbols and will not be discussed separately.
- a further damping member 47 is provided, which cooperates with a rotating mechanical energy store 11 and thus via an A.
- A-actuator 45 is electrically connected to the stator and / or rotor of the generator 9.
- FIG. 7 shows a schematic cross section through a drive train 30 of a power generation plant 6 according to a sixth embodiment of the invention.
- the damping element 48 shown in FIG. 7 is purely mechanical energy storage and recovery with the aid of a spring-loaded element 23.
- a torsion spring 50 may be provided with a first region of a drive shaft 20 or a first region of an output shaft 21 with one end 51 the torsion spring 50 are engaged, while the other end 52 of the torsion spring 50 with a second portion 20 'of the drive shaft and a second portion 21 ' of the output shaft is engaged.
- the torsional stiffness of the torsion spring can be made variable by the torque tap is made displaceable. Another possibility is a torsion spring with non-linear spring characteristic.
- a clutch 24 is provided by which the bias of the torsion spring 50 can be blocked at different torsional stiffnesses.
- This mechanical storage element in the form of a torsion spring can be used for smoothing high-frequency components in Qrehmomentverlauf continuously or discretely variable on the shaft, it being possible to vary the torsional stiffness of the spring element.
- This element can serve as an actuator for a control, which causes the smoothing of the torque curve.
- a soft adjustment of the spring is chosen so that the spring can be wound up and the kinetic energy contained in the torque peak can be cached and released again.
- the first area is blocked to the second portion of the drive or output shaft 20 and 21 by means of the clutch 24 so that the energy is stored in the spring and the drive train does not swing up.
- FIG. 8 shows a schematic diagram of a torque curve M over time t for the embodiment according to FIG. 7.
- the clutch 24 as shown in FIG. 7, is activated, so that an almost uniform energy flow in this tolerance range from ⁇ M via the drive train to the generator. If this ⁇ M is exceeded, the clutch can be released, in which case the spring can absorb energy up to a torque M max and then blocks the rotation when the maximum possible torque M max is reached .
- the stored energy in the spring at the maximum torque M max can be delivered to the system in the sequence, after a short time a minimum variation of the mean torque can be adjusted by .DELTA.M.
- the clutch 24 can be engaged again at time t 2 , until finally at time t. 3 again ⁇ M is exceeded and by releasing the clutch excess energy either stored or can be attributed to the overall system at a lessening moment until finally at U a fluctuation of the torque in the range ⁇ M is reached, so that again the clutch 24, as in FIG 7 is engaged to connect the two portions of the drive train and the output strand together.
- Figures 9 to 11 show schematic diagrams and diagrams and a circuit diagram of a wind turbine according to the prior art, which have already been discussed in the introduction and will not be considered here again to avoid repetition. LIST OF REFERENCES
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Energiegewinnungsanlage (1) mit einer Einrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen. Die Energiegewinnungsanlage (1) weist mindestens einen über ein Fluid angetriebenen Rotor (8) und einen mit dem Rotor mechanisch gekoppelten Generator (9) auf. Die Energiegewinnungsanlage (1) weist eine Dämpfungsvorrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen auf und mindestens ein mechanisches oder elektrisches Speicherelement (11, 12) auf, das eine in einem Antriebsstrang (30) auftretende Schwingung oder Störgröße durch Energieaustausch kompensiert oder dämpft.
Description
Stationäre Energiegewinnungsanlage mit einer Einrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen
Beschreibung
Stationäre Energiegewinnungsanlage mit einer Einrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen
Die Erfindung betrifft eine Energiegewinnungsanlage mit einer Einrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen. Die Energiegewinnungsanlage weist mindestens einen mechanisch angetriebenen Rotor und einen mit dem Rotor mechanisch gekoppelten Generator auf. Dazu offenbart die Erfindung ein System zur aktiven Dämpfung mechanischer Schwingungen der Energieerzeugungsanlage. Diese Dämpfung soll unabhängig von der Last bzw. dem Netz aus einer Kombination von elektrischen Komponenten, wie einem Generator und mechanischen E- lementen wie einem Getriebe und deren Wechselwirkungen mit entsprechenden Dämpfungsvorrichtungen, erreicht werden.
In einem solchen zu dämpfenden System kann je nach Ausführung Energie in verschiedene Richtungen fließen, z.B. von einer mechanischen Energiequelle hin zu einem Generator und von diesem in eine elektrische Senke über eine Leistungselektronik zu einem elektrischen Netzwerk oder einem elektrischen Speichersystem und umgekehrt von einem elektrischen Energieerzeuger wie einem Generator über ein vorgeschaltetes Übersetzungsgetriebe bis hin zum mechanischen Antrieb über eine Antriebswelle, so dass ein bidirektionaler Energiefluss in derartigen Energiegewinnungsanlagen möglich ist.
Insbesondere bei Windkraftanlagen, bei denen z.B. Energie über einen Rotor, be- stehend aus einer Nabe mit verstellbaren Rotorblättern, aus der bewegten Luft
mechanisch entnommen wird und über ein mechanisches Kopplungssystem, das aus Kupplungen, Wellen und Getrieben bestehen kann, auf einen Generator geleitet wird. Dieser Generator, eventuell in Kombination mit einer Leistungselektronik, bildet ein elektrisches System, das über das im Generator erzeugte Moment eine Rückwirkung auf das mechanische System aus Welle, Getriebe und Rotor bilden kann.
Eine derartige bekannte Windenergieanläge und ihre Funktionsweise zeigen die Figuren 9 bis 11. Dazu zeigt Figur 9 eine Prinzipskizze einer Windkraftanlage 7 mit einem Rotor 8, der die Windkraft je nach Anstellwinkel der Rotorblätter 28 in Pfeilrichtung A in Rotation versetzt. Dazu können die Rotorblätter 28 je nach Windstärke in Pfeilrichtung B unterschiedliche Anstellwinkel, auch Pitch genannt, einnehmen. Das durch den Wind mit Hilfe des Rotors 8 erzeugte Drehmoment MT wird über eine Antriebswelle 20 und in diesem Stand der Technik über ein zwischenge- schaltetes Übersetzungsgetriebe 22 zu einer Abtriebswelle 21 mit Hilfe des Antriebsstranges 30 an einen Generator 9 übertragen.
Der Generator steht mit einer Leistungselektronik 14 in Wirkverbindung, die dafür sorgt, dass, trotz unterschiedlicher Strömungsverhältnisse in der anströmenden Luft und somit trotz unterschiedlicher Drehmomente im Antriebsstrang 30, das
Generatormoment im Luftspalt nahezu konstant bleibt. Das bedeutet, dass die Antriebswelle 20, die Abtriebswelle 21 und die Übersetzungswellen des Übersetzungsgetriebes 22 des Antriebsstranges 30 die unterschiedlichen Drehmomentbelastungen, verursacht durch Windböen im Wechsel zu Einbrüchen im Drehmo- ment durch einen periodisch auftretenden Turmschatten, aufnehmen müssen. Das bedeutet insbesondere für ein Übersetzungsgetriebe 22, dass die Auslegung der Übertragungswellen sowie dessen Abtriebswelle 21 und deren Massenträgheitsmomente nachteilig um ein Mehrfaches höher angesetzt werden müssen, als es eine Durchschnittsantriebsbelastung erfordert.
Die Figuren 10A bis 10D zeigen dazu Drehmomentverläufe in Bezug auf die in Figur 9 gezeigte Energiegewinnungsanlage am Beispiel einer Windkraftanlage 7. Figur 10A zeigt dazu das Torsionsmoment MT, das von dem Rotor auf die Antriebswelle 20, wie in Figur 9 gezeigt, einwirkt. Dabei können sich Windböen 29 als
Drehmomentspitzen im Verlauf des Torsionsmomentes Mj über der Zeit t auswirken, während der Turmschatten 31 einen Einbruch im Torsionsmoment Mτ verursacht. Diese Änderungen und Störgrößen können zu niederfrequenten Schwingungen im Bereich von einigen Zehntel Hz bis zu einigen Hz führen, welche Wechselbelastungen für den Antriebsstrang 30 bedeuten. Somit bildet sich der Verlauf des Torsionsmomentes, wie in Figur 10A gezeigt, in der Beschleunigung des Antriebsstranges mit dem Beschleunigungsmoment MB in gleicher Folge ab, wie es Figur 10B zeigt. Durch die dem Generator 9 nachgeschaltete Leistungselektronik wird jedoch erreicht, dass das Generatormoment MG im Luftspalt nahe- zu dem mittleren Drehmoment MN entspricht, wie es Figur 10C zeigt, so dass entsprechend eine konstante Leistung PN, wie es Figur 10D zeigt, in das Netz bzw. die Last 10 eingespeist wird.
Um das Generatormoment MG im Luftspalt konstant auf MN ZU halten, ist zwischen dem Ausgang des Generators 9 und dem Netz bzw. der Last 10 die in Figur 11 gezeigte Leistungselektronik 14 in Form eines Dreiphasenfrequenzrichters vorgeschaltet. Dabei wird der Eingang des Wechselrichters durch einen Eingangsanpassungsblock 32 mit L-Filtern und C-Filtern vorgeglättet, um einen möglichst sinusförmigen Generatorspannungsverlauf 37 einem nachgeschalteten 3-phasigen Eingangsgleichrichter 33 zuzuführen, der eine geglättete Zwischenkreisspannung mittels eines Zwischenspeichers 16, der hier einen elektrostatischen Kondensator darstellt, speichert. Somit wird die erzeugte Wechselrichterspannung UWR als nahezu konstante Zwischenkreisspannung UZK in dem Zwischenkreisspeicher 34 , wie es Figur 11 B zeigt, gespeichert, um anschließend mit Hilfe cjes Sechsfachen (6-B) Ausgangsphasenwechselrichters 35 und dem Ausgangsblock 36 mit L- Filtern und C-Filtern einen sinusförmigen Netzspannungsverlauf 38, wie in Figur 11C gezeigt, über einen Transformator 39 an das Netz 10 zu liefern.
Durch Regelung und Ansteuerung der Leistungselektronik 14 wird gewährleistet, dass das Generatormoment im Luftspalt, trotz unterschiedlicher Beschleunigungsmomente im Antriebsstrang, nahezu konstant bleibt. Das hat jedoch den Nachteil, dass alle mechanisch tordierten Elemente energieflussaufwärts des Generators überdimensioniert werden müssen, um mechanische Schwingungen und Belastungen, die beispielsweise durch Windböen und andere periodische Störfak-
toren wie Turmschatten ausgelöst werden, schadenfrei zu überstehen. Bei den heute existierenden Systemen für eine Energiegewinnungsanlage werden aktive Schwingungsdämpfungssysteme vorgesehen, die entweder eine direkte Kopplung des Dämpfers zur Last und damit zum elektrischen Netz aufweisen, was zu einer Abhängigkeit vom Netz und einer möglicherweise unerwünschten Wechselwirkung zwischen dem Netz und der Energieerzeugungsanlage führt. In anderen Systemen wird die zur Dämpfung verwendete Energie über einen Widerstand abgeführt und bleibt somit ungenutzt, was wiederum den Wirkungsgrad des Gesamtsystems verringert.
Aus der Druckschrift US 2005/0017512 A1 ist ein System zur aktiven Schwingungsdämpfung eines Antriebsstranges in einer Windenergieanlage bekannt, deren Generator als Synchrongenerator spezifiziert ist und an dessen Statorwicklung ein Frequenzumrichter angeschlossen ist. Die vom Generator erzeugte elektrische Leistung wird komplett über den Frequenzumrichter geführt und von diesem ins Netz gespeist. Dadurch ist es möglich, das Generatormoment über den vom Frequenzrichter gesteuerten Generatorstrom direkt zu beeinflussen. Das Stromsignal wird durch einen Regler erzeugt, der durch Messung der Drehzahl des Antriebsstranges Torsionsschwingungen erkennt und entsprechend der Phasβnlage und der Frequenz der Schwingung ein entsprechendes Dämpfungsmoment über den Generatorstrom erzeugt. Eine derartige Anlage hat jedoch den Nachteil, dass sie netzabhängig ist und praktisch die Stromschwankungen, die durch entsprechende Schwingungen im mechanischen Teil, insbesondere durch den Rotor, entstehen, voll ins Netz zur Dämpfung einspeist.
Aus der US 2008/0067815 A1 ist ein weiteres Dämpfungssystem bekannt, das nicht nur für Synchrongeneratoren geeignet ist, sondern für beliebige Antriebsstrangtypen verwendet werden kann. Bei diesem Verfahren wird sowohl die Drehzahl des Generators als auch die Beschleunigung des Turms der Windenergiean- läge in Seitwärtsrichtung, d.h. parallel zur Blattebene, erfasst. Aus diesen Messungen werden Eigenfrequenzen des Systems berechnet und entsprechend dieser Eigenfrequenzen werden drehzahlabhängige Verstärkungsfaktoren für den Dämpfungsregler festgelegt. Der Regler selbst steuert dann das Generatormoment über den Strom durch den Frequenzumrichter, um die mechanischen
Schwingungen zu dämpfen. Ein derartiger Dämpfungsbetrieb kann nachteilig nur genutzt werden, wenn eine Verbindung zum Netz besteht. Dies ist jedoch in einem Fehlerfall nicht zwangsweise gegeben, wodurch der Nutzen eines derartigen frequenzabhängigen Dämpfungsreglers eingeschränkt ist.
Aus der DE 10 2007 021 213 A1 ist es bekannt, mechanische Schwingungen im Antriebsstrang über die Steuerung des Stroms im Generator und damit des Generatormoments zu dämpfen. Im Gegensatz zu den vorher genannten Druckschriften wird hier der zur Dämpfung benutzte Stromanteil nicht über den Frequenz- Umrichter ins Netz abgegeben, sondern über einen separaten Gleichrichter auf einen Gleichspannungszweig geführt, in dem ein Leistungswiderstand verbaut ist. Der für die Dämpfung benutzte Stromanteil des Generatorstroms wird über den Widerstand geführt. Damit wird die Dämpfungsleistung in thermische Energie umgewandelt. Die Form und Höhe des Stroms wird dabei entweder durch einen zu- sätzlichen Schalter im Widerstandszweig oder über einen Gleichrichter geregelt.
Zwar entfällt bei dieser Lösung die Kopplung der Energiegewinnungsanlage an den Netzbetrieb, wodurch eine Dämpfung der mechanischen Schwingungen des Antriebsstranges auch im Fall eines Netzfehlers möglich ist. Allerdings wird die zur Dämpfung genutzte Energie komplett in thermische Energie umgewandelt und kann daher nicht zurückgewonnen werden. Dieses ist besonders nachteilig, wenn ein periodisch schwingender Energiefluss im Dämpfungszweig zu erwarten ist.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine stationäre Energiegewinnungsan- läge mit einer Einrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen zu schaffen, die unabhängig von einem angekoppelten elektrischen Netz arbeitet und gleichzeitig keine Energie in nicht mehr nutzbare Energieformen umwandelt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen in einer Energiegewinnungsanlage anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird eine Energiegewinnungsanlage mit einer Einrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen geschaffen. Die Energiegewinnungsanlage weist mindestens einen über ein Fluid angetriebenen Rotor und einen mit dem Rotor mechanisch gekoppelten Generator auf. Die Energiegewinnungsanlage weist eine Dämpfungsvorrichtung zur Dämpfung mechanischer Schwingungen und mindestens ein mechanisches, hydraulisches, chemisches oder elektrisches Speicherelement auf, das eine in einem Antriebsstrang auftretende Schwingung oder Störgröße durch Energieaustausch oder Energieherausnahme kompensiert oder dämpft.
Ein Vorteil dieser Energiegewinnungsanlage bzw. des Verfahrens besteht darin, dass die Einrichtung zur Dämpfung unabhängig von der Last oder von dem Netz, an das die Energieerzeugungsanlage angeschlossen werden kann, ist, so dass auch bei abgekoppeltem Netz die Einrichtung zur Dämpfung wirksam ist. Außer- dem besteht der Vorteil darin, dass in einem Antriebsstrang auftretende Schwingungen oder Störgrößen nicht durch Energievernichtung wie im Stand der Technik, sondern durch Energieaustausch kompensiert oder gedämpft werden. Das bedeutet, dass die Energie, bzw. die durch mechanische Schwingungen ermöglichte Energiespeicherung anschließend wieder dem System zugeführt wird.
Auch dies ist im Stand der Technik nicht möglich, so dass praktisch jede Störgröße, sofern sie den mittleren Energiefluss überschreitet, zur Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlage genutzt werden kann und den Wirkungsgrad der Anlage erhöht. Dazu sind dynamische Speicher- Systeme und dynamische Umwandlungssysteme eingesetzt, um beispielsweise auch aus Windböen Energie zu gewinnen, ohne die mechanischen Komponenten des Antriebsstranges zu überlasten, da der Energiefluss durch die zusätzlichen Speichermöglichkeiten der Energiegewinnungsanlage derartig variiert werden kann, dass es möglich wird, die Komponenten des Antriebsstranges auf ein mittle- res Torsionsmoment zu optimieren, was eine erhebliche Gewichts- und Materialeinsparung für den mechanischen Antriebsstrang und seine Komponenten in vorteilhafter Weise ermöglicht.
Im Folgenden werden energieflussaufwärts von einer Leistungselektronik bis zu dem mechanischen Rotor nacheinander Ausführungsformen für Speichermöglichkeiten des Energieflusses erörtert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens in einer Leistungselektronik ein regelbarer Speicher zur Aufnahme von Energie angeordnet, der die Aufnahme von Energie in Abhängigkeit einer mechanischen Schwingungsbelastung der Energiegewinnungsanlage variiert. Dazu kann die Leistungselektronik ein Leistungselektronisches Stellglied mit einem elektrischen Zwischen- kreis aufweisen, wie er bereits oben geschildert wurde, wobei der Zwischenkreis einen ersten Zwischenkreisspeicher beispielsweise in Form eines Zwischenkondensators, wie oben mit dem Stand der Technik gezeigt, aufweist, zu dem ein o- der mehrere zusätzliche Zwischenkreisspeicher mit variabler Energieaufnahme parallel geschaltet sein können.
Diese zusätzlichen Zwischenkreisspeicher können beispielsweise Kondensatoren mit mehr als hundertfacher elektrischer Kapazität sein oder Batterien beispielsweise aus Lithiumionenzellen darstellen. Dieser Speicher muss mit der relativ niedrigen Frequenz von einigen Zehntel Hz bis einigen Zehn Hz unterschiedlich hohe Energieflussanteile speichern können und bei verminderten Drehmomenten diese gespeicherte Energie abgeben können, so dass es nicht erforderlich ist, das Generatormoment im Luftspalt wie im Stand der Technik konstant zu halten, sondern es vielmehr derart zu variieren, dass das Drehmoment im Antriebsstrang, trotz eines stark variierenden Drehmomentes am Rotor, nahezu konstant gehalten wird, da das Generatormoment im Luftspalt synchron mit dem Turmschatten abnimmt und bei entsprechenden Windböen zunehmen kann, da die Aufnahme von Energie in dem regelbaren Speicher der Leistungselektronik in Abhängigkeit von der mechanischen Schwingungsbelastung der Energieerzeugungsanlage variiert.
Vorzugsweise weist dazu die Leistungselektronik einen Drehstromumrichter oder Frequenzumrichter mit einem elektronischen Zwischenkreis auf, wobei der Zwischenkreis einen ersten Zwischenkreisspeicher besitzt, dem ein zweiter zusätzlicher Zwischenkreisspeicher wie oben erwähnt mit variabler Energieaufnahme parallel geschaltet ist. Energieflussaufwärts von der Leistungselektronik mit elektro-
nischem Zwischenkreis ist der Generator angeordnet. An diesen können sowohl am Statorausgang als auch am Rotorausgang noch vor dem elektronischen Zwi- schenkreisspeicher und der Leistungselektronik unterschiedliche Speicher zur Aufnahme des Energieflusses bei mechanischen Schwingungen oder Störgrößen des Antriebsstranges aufgenommen werden.
Dazu kann ein mechanischer Speicher über einen elektromechanischen Wandler, der mit dem Rotor des Generators zur Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße zusammenwirkt, mechanische Energie speichern und die gespeicherte Energie geregelt zurückgeben. Ein gleichartiger mechanischer Speicher kann alternativ oder zusätzlich mit dem Rotor des Generators in Wirkverbindung stehen und mechanische Energie speichern, die anschließend über einen beispielsweise Elektromotor zurückgeführt wird. Als mechanische Speicher können vorzugsweise am Ausgang des Generators rotierende Schwungmassen angeordnet sein.
Weiterhin ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, ein Zweimassenschwungrad zur Schwingungsdämpfung in den Wellen des Antriebsstranges anzuordnen. Dazu wird das Zweimassenschwungrad auf die typischen Eigen- und Anregungsfrequenzen in dem Antriebsstrang abgestimmt. Diese Zweimassenschwungräder im Antriebszweig können als schaltbare Zweimassenschwungräder unterschiedliche schädliche Torsionsschwingungen glätten, womit die Lebensdauer und damit die Verfügbarkeit der Komponenten einer Energiegewinnungsanlage erhöht wird. Außerdem ist es dadurch möglich, die Dimensionierung der Komponenten zu verringern. Eine Regelung ist für den Einsatz von Zweimassenschwungrädern nicht erforderlich.
Neben rein mechanischen Speichern ist es auch möglich, über ein leistungselektronisches Stellglied, das mit dem Rotor und/oder mit dem Stator des Generators zusammenwirkt, die elektrische Energie, die aus mechanischen Schwingungen oder Störgrößen gewonnen werden kann, zu speichern und elektromechanisch oder elektrisch diese Energie innerhalb der Anlage wieder zurückzuführen. Vor dem Eingang des Generators können Speicher angeordnet werden, die entweder rein mechanisch oder elekromechanisch aufladbar sind. So ist es möglich, dass unmittelbar an der Antriebswelle ein Dämpfungselement angeordnet ist, das als
einen elektromechanischen Wandler, wie eine Wirbelstrombremse Energie zu einem Speicher abführt und als Elektromotor die Energie zurückführt.
Wirksamer ist es jedoch, einen derartigen elektromechanischen Wandler als Dämpfungselement an der Abtriebswelle eines Übersetzungsgetriebes anzuordnen, da dort die Drehzahl einer Wirbelstromscheibe der Wirbelstrombremse der Drehzahl der Eingangswelle des Generators entspricht. Eine rein mechanische Glättung von Schwingungen in der Antriebswelle nach dem Rotor oder in der Abtriebswelle nach einem Übersetzungsgetriebe ist dadurch möglich, dass ein Federspeicherelement auf der Antriebsachse bzw. der Abtriebsachse eingesetzt ist, wobei das Federspeicherelement eine veränderliche Torsionssteifigkeit aufweist. Mit Hilfe einer Vorrichtung (z. B. Kupplung) innerhalb der Antriebswelle oder innerhalb der Abtriebswelle kann das Federspeicherelement bei unterschiedlichen Torsionssteifigkeiten fixiert werden. Um Rotationsenergie aus dem Antriebsstrang zu nehmen, d. h. Lastspitzen zu glätten, wird eine weiche Federeinstellung gewählt, so dass ein Teil der Rotationsenergie in Form potentieller Energie in der Torsionsfeder gespeichert wird. Bei temporärem Abfall des Moments auf der Welle wird die Energie aus der Feder wieder abgegeben. Bei mittleren Momenten kann die Feder mit Hilfe einer Kupplung überbrückt werden, damit kein Energieaus- tausch mit der Feder stattfindet.
Schließlich ist es möglich, wenn die Energiegewinnungsanlage ein Übersetzungsgetriebe aufweist, in dem Übersetzungsgetriebe eine Getriebeabzweigung für mechanische Energie vorzusehen, die mechanisch speicherbar und elektromecha- nisch abrufbar ist oder über einen elektromechanischen Wandler elektrisch gespeichert wird und schließlich von dem elektrischen Speicher wiederum in die Anlage eingespeist werden kann.
Ein Verfahren zur Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße einer Ener- giegewinnungsanlage mit mindestens einem mechanisch angetriebenen Rotor und einem mit dem Rotor mechanisch gekoppelten Generator kann eine Leistungselektronik aufweisen, so dass ein variabler Energiefluss von dem Rotor durch den Generator und die Leistungselektronik bis zur Last ermöglicht wird. Dabei bleibt die abgegebene Leistung an die Last konstant, da ein mechanisches
oder elektrisches Speicherelement der Energiegewinnungsanlage eine in einem Antriebsstrang auftretende Schwingung oder Störgröße durch Energieaustausch kompensiert oder dämpft.
Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass es netzunabhängig durch entsprechende Regelung der Energieflüsse in der Energiegewinnungsanlage arbeitet, so dass sich Störungen im Lastbereich beim Abkoppeln des Netzes nicht auf die Funktionsfähigkeit der Energiegewinnungsanlage auswirken.
In einem bevorzugten Durchfϋhrungsbeispiel des Verfahrens wird durch Aktivieren einer Wirbelstrombremse der Antriebswelle und/oder der Abtriebswelle einer E- nergiegewinnungsanlage eine Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße erreicht. Eine derartige Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße kann auch durch Abzweigen eines Kraftflusses aus einem Übersetzungsgetriebe, das zwischen Rotor und Generator angeordnet ist, erreicht werden, indem eine nachgeschaltete Einrichtung an die Getriebeabzweigung angekoppelt wird.
Schließlich kann durch einen zusätzlichen mechanischen oder elektrischen Speicher, in Zusammenwirken mit dem Rotor und/oder dem Stator des Generators ei- ne Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße in der Energiegewinnungsanlage erreicht werden. Außerdem ist es möglich, eine Dämpfungsfunktion einer Schwingung und/oder einer Störgröße durch einen zusätzlichen elektrischen Zwi- schenkreisspeicher mittels zusätzlicher variabler Stromaufnahme unter variabler Zwischenkreisspannung zu erreichen, wobei der zusätzliche elektrische Zwi- schenkreisspeicher mit dem Generator über eine Leistungselektronik elektrisch in Verbindung steht.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 zeigt schematische Diagramme von Drehmomentverläufen über der
Zeit in einer Energiegewinnungsanlage gemäß Figur 1 oder Figur 2;
Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 5 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 6 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage gemäß ei-
. ner fünften Ausführungsform der Erfindung;
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Antriebsstrang einer Energiegewinnungsanlage gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Drehmomentverlaufs über der Zeit für die Ausführungsform gemäß Figur 7;
Figur 9 zeigt eine Prinzipskizze einer Windkraftanlage gemäß dem Stand der
Technik;
Figur 10 zeigt schematische Diagramme von Drehmomentverläufen in einer Wind kraftan läge gemäß Figur 9;
Figur 11 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Leistungselektronik einer Windkraftanlage gemäß Figur 9.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer stationären Energiegewinnungsanlage 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Energiegewinnungsanlage 1 setzt Windenergie, die in Pfeilrichtung C auf einen Rotor 8 einwirkt, über einen Generator 9 und eine Leistungselektronik 14 in elektrische Energie um, die anschließend über einen Transformator 39 in ein Netz oder eine Last 10 einge-
speist wird. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Rotor 8 und dem Generator 9 ein Übersetzungsgetriebe 22 angeordnet, welches die Rotationsfrequenz von einigen Zehntel Hz bis einigen Zehn Hz der Antriebswelle 20, verursacht durch den Rotor 8, in eine höhere Drehzahl der Abtriebswelle 21 über- setzt.
Dabei können, wie oben ausgeführt mechanische Schwingungen auftreten, die teilweise von periodisch auftretenden Störgrößen, wie beispielsweise dem Turmschatten der Windkraftanlage oder durch statistisch auftretende Windböen, verur- sacht werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik, der mit den Figuren 9 bis 11 erläutert wird, sind in dieser Energiegewinnungsanlage 1 eine Mehrzahl von mechanischen Speicherelementen 11 und elektrischen Speicherelementen 12 vorgesehen, die an unterschiedlichen Stellen des Energieflusses vom Rotor 8 bis zur Last 10 vorgesehen sind. Diese Speicherelemente 11 , 12 dienen zur Dämpfung der mechanischen Schwingungen in dem Antriebsstrang 30 aus Antriebswelle 20, Übersetzungsgetriebe 22 und Abtriebswelle 21.
Die mechanischen Speicherelemente 11 und die elektrischen Speicherelemente 12 können von unterschiedlichen Dämpfungsgliedern 46 bis 48 gespeist werden. So ist auf der Abtriebswelle 20 unmittelbar einen elektromechanischen Abgriff in Form beispielsweise einer Wirbelstrombremse 18 vorgesehen, die sowohl einen elektrischen Speicher 12 über einen elektromechanischen Wandler 13 oder einen A/D-Wandler 43 als auch einen mechanischen Speicher 11 wie eine Schwungscheibe direkt versorgen kann. Auch kann, wie Figur 1 zeigt, ein elektromechani- scher Abnehmer als Dämpfungsvorrichtung in Form einer Wirbelstrombremse 18 auf der Abtriebwelle 21 des Übersetzungsgetriebes 22 vorgesehen werden, der einerseits direkt einen mechanischen Speicher 11 beispielsweise in Form eines Schwungrades aufladen kann oder über einen elektromagnetischen Wandler 13 oder einen A/D-Wandler die Wirbelstromenergie einem elektrischen Speicher 12 zuführen kann. Auch aus dem Übersetzungsgetriebe 22 kann über eine Getriebeabzweigung 25 ein Kraftfluss abgezweigt werden, der seinerseits über einen elektromechanischen Wandler 13 oder einen A/D - Wandler 43 einen elektrischen Speicher 12 oder direkt einen mechanischen Speicher 11 aufladen kann.
Neben diesen Dämpfungsmögli.chkeiten von Schwingungen im Antriebsstrang 30 ist es auch möglich, am Generatorausgang 40 noch vor der Leistungselektronik 14 entsprechende Speicher- und Dämpfungsvorrichtungen vorzusehen, welche die gespeicherte Energie zur Entlastung des Antriebsstranges 30 mit Hilfe des Stators oder des Rotors des Generators 9 zurückführen kann. Dazu ist in dieser Ausführungsform der Erfindung ein leistungselektronisches Stellglied 26 mit dem Stator und/oder dem Rotor am Ausgang 40 des Generators 9 verbunden, wobei dieses Stellglied elektrische Energie in einen elektrischen Speicher 12 einbringt und damit entweder eine Batterie, wie eine Lithiumionenbatterie, einen Leistungskonden- sator wie einen Elektrolytkondensator oder einen Doppelschichtkondensator, einen induktiven oder chemischen Speicher auflädt.
Da die am Stator bzw. am Rotor anstehende elektrische Energie einen Wechselstrom liefert, kann dieser auch direkt in eine rotierende mechanische Schwung- scheibe eines mechanischen Speichers 11 eingebracht werden. Auch hier ist ein elektromechanischer Wandler erforderlich, der die Anregungsfrequenz in bei Antriebsmomentspitzen in eine Erhöhung Rotationsfrequenz umsetzt. Umgekehrt kann die Energie, die in dem mechanischen Speicher 11 gespeichert ist, über entsprechende Elektro- oder Wirbelstrommotoren 19 in die Antriebswelle 20, in die Getriebeabzweigung 25 oder in die Abtriebswelle 21 bei Antriebsmomentminima zurückgeführt werden.
Schließlich kann der aus dem Stand der Technik bekannte Zwischenkreisspeicher 34 als erster Zwischenkreisspeicher 16 in der Leistungselektronik 14 vorgesehen werden. Ein zusätzlicher zweiter Zwischenkreisspeicher 17 mit einer vielfachen Speicherkapazität gegenüber dem ersten Zwischenkreisspeicher 16, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann als regelbarer Speicher 15 parallel zu dem ersten Zwischenspeicher 16 angeschlossen werden, um die Energie mechanischer Überschwingungen des Antriebsstranges 30 als elektrische Energie zu speichern, die in Schwingungstälern über einen Wandler 13 dem Antriebsstrang 30 zugeführt werden kann, und somit für eine gleichmäßige Belastung des Antriebsstranges 30 sorgt.
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage 2 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. In Figur 2 ist ein Steuergerät 41 angeordnet, das die verschie- denen Dämpfungsglieder 46 bis 49, wie in Figur 1 gezeigt im Antriebsstrang 30 am Generator 9 und in der Leistungselektronik 14 steuert und dazu Sensorsignale dieser Komponenten auswertet, um mechanische Schwingungen im Antriebsstrang 30 optimal zu dämpfen.
Figur 3 zeigt schematische Diagramme 3A bis 3D von Drehmomentverläufen M über der Zeit t in einer Energiegewinnungsanlage gemäß Figur 1 oder Figur 2 der Erfindung. Ein Vergleich dieser Diagramme gemäß Figur 3A bis Figur 3D zu den Diagrammen gemäß Figur 10A und Figur 10D des Standes der Technik zeigt deutlich die Vorteile der erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlagen 1 bzw. 2. Dazu zeigt Figur 3A wiederum den Verlauf des Torsionselementes MT, das von dem Rotor auf die Antriebswelle 20, wie sie in Figuren 1 und 2 gezeigt wird, einwirkt.
Dabei können sich Windböen 29 als Drehmomentspitzen im Verlauf des Torsi- onsmomentes Mτ über der Zeit t auswirken, während der Turmschatten 31 einen Einbruch im Torsionsmoment Mτ verursacht. Diese Änderungen und Störgrößen können zu niederfrequenten Schwingungen in Bereichen von einigen Zehntel Hz bis einigen Zehn Hz führen, welche hohe Wechselbelastungen für den Antriebsstrang 30, wie ihn die Figuren 1 oder 2 zeigen, bedeuten könnten. Jedoch ein Vergleich des zeitlichen Verlaufs des Beschleunigungsmomentes MB im Antriebstrang, wie er sich in Figur 3B aufgrund der erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlage mit entsprechenden Dämpfungsmaßnahmen zu der Figur 10B aus dem Stand der Technik ergibt, zeigt deutlich, dass die Wechselbelastungen bzw. das Beschleunigungsmoment MB über der Zeit aufgrund der erfindungsgemäßen Dämpfungsglieder deutlich verringert sind.
Somit können die Komponenten des Antriebsstranges mit deutlich geringeren Flächenträgheitsmassen und somit mit deutlich geringerem Gewicht realisiert werden und für ein mittleres Drehmoment MN und deutlich geringeren Sicherheitszuschlä-
gen ausgelegt werden. Dieses bedeutet eine Gewichtsersparnis für die Antriebswelle 20, die Übersetzungswellen des Übersetzungsgetriebes 22 und auch für die Abtriebswelle 21 des Übersetzungsgetriebes 22. Aufgrund der Speicherelemente 11 und 12 für die Dämpfungsglieder 46 bis 49, wie in Figur 1 gezeigt, kann nun, wie Figur 3C zeigt, das Generatormoment um einen Mittelwert MN in Analogie zum antreibenden Torsionselement Mτ, wie es in Figur 3A durch die Windbelastungen vorgegeben wird, variieren. Die entsprechenden Leistungsspitzen, wie sie Figur 3D zeigt, werden durch die vorgesehenen Speicherelemente 11 und 12 der Dämpfungsglieder 46 bis 49 in Zusammenwirken mit dem Steuergerät 41 der Figur 2 der Ausführungsform kompensiert, so dass eine mittlere Leistung PN an das Netz bzw. an die Last abgegeben werden kann.
Da die zwischengespeicherte Energie im gesamten Energiehaushalt der Energiegewinnungsanlage aus den unterschiedlichen Speichern und Dämpfungsgliedern zurückfließt, wird zusätzlich zu der verminderten Belastung des Antriebsstranges ein höherer Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Energiegewinnungsanlage 1 bzw. 2 erreicht.
Figur 4 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage 3 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Der Unterschied zu der Figur 1 besteht darin, dass in dieser Ausführungsform der Erfindung lediglich der zusätzliche zweite Zwischenkreisspeicher 17 zu dem im Stand der Technik bekannten ersten Zwi- schenkreisspeicher 16 vorgesehen ist, wobei der Zwischenspeicher 17 einen D/D- Wandler 42 umfasst, der das variable Speicherelement 15 auflädt.
Figur 5 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage 4 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Der Unterschied zu der vorhergehenden Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass nun zusätzlich ein mit dem Stator oder mit dem Rotor des Generators 9 zusammenwirkendes Dämpfungsglied 46 aus einem A/D-Wandler und einem elektrischen Speicher 12 zusätzlich zu dem variablen Speicher 15 im Zwischenkreis vorgesehen wird.
Figur 6 zeigt eine Prinzipskizze einer Energiegewinnungsanlage 5 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung, wobei Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den Figuren 4 und 5 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert werden. Zusätzlich zu dem in Figur 5 gezeigten Dämpfungs- glied 46, das mit dem Stator und/oder Rotor des Generators zusammenwirkt, ist in dieser fünften Ausführungsform der Erfindung ein weiteres Dämpfungsglied 47 vorgesehen, das mit einem rotierenden mechanischen Energiespeicher 11 zusammenwirkt und somit über ein A/A-Stellglied 45 mit dem Stator und/oder Rotor des Generators 9 elektrisch in Verbindung steht.
Figur 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Antriebsstrang 30 einer Energiegewinnungsanlage 6 gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Bei dem in dieser Figur 7 gezeigten Dämpfungsglied 48 handelt es sich um eine rein mechanische Energiespeicherung und Rückgewinnung mit Hilfe ei- nes Federspeicherelements 23. Dazu kann eine Torsionsfeder 50 mit einem ersten Bereich einer Antriebswelle 20 oder einem ersten Bereich einer Abtriebswelle 21 mit einem Ende 51 der Torsionsfeder 50 in Eingriff stehen, während das andere Ende 52 der Torsionsfeder 50 mit einem zweiten Bereich 20' der Antriebswelle bzw. einem zweiten Bereich 21 ' der Abtriebswelle in Eingriff steht. Die Federstei- figkeit der Torsionsfeder kann veränderbar gestaltet werden, indem der Momentenabgriff verschiebbar ausgeführt wird. Eine weitere Möglichkeit ist eine Torsionsfeder mit nicht-linearer Federkennlinie.
Andererseits ist in dieser Ausführungsform der Erfindung eine Kupplung 24 vorge- sehen, durch welche die Vorspannung der Torsionsfeder 50 bei unterschiedlichen Torsionssteifigkeiten blockiert werden kann. Dieses mechanische Speicherelement in Form einer Torsionsfeder kann zur Glättung hochfrequenter Anteile im Qrehmomentverlauf auf der Welle kontinuierlich oder diskret veränderlich eingesetzt werden, wobei es möglich ist, die Torsionssteifigkeit des Federelementes zu variieren. Dieses Element kann als Aktor für eine Regelung dienen, welche die Glättung des Drehmomentverlaufs bewirkt. Bei Drehmomenten über dem zeitlichen Mittelwert wird eine weiche Einstellung der Feder gewählt, so dass die Feder aufgezogen und die kinetische Energie, die in der Drehmomentspitze enthalten ist, zwischengespeichert und wieder abgegeben werden kann. Bei durchschnittlichen
Drehmomentgrößen wird der erste Bereich zu dem zweiten Bereich der Antriebsoder Abtriebswelle 20 bzw. 21 mit Hilfe der Kupplung 24 blockiert, so dass die E- nergie in der Feder gespeichert wird und sich der Antriebsstrang nicht aufschwingt.
Figur 8 zeigt ein schematisches Diagramm eines Drehmomentverlaufs M über der Zeit t für die Ausführungsform gemäß Figur 7. Dazu wird bei einer Schwankung des mittleren Momentes um ΔM die Kupplung 24, wie sie in Figur 7 gezeigt wird, aktiviert, so dass ein nahezu gleichmäßiger Energiefluss in diesem Tolleranzbe- reich von ΔM über den Antriebsstrang zum Generator hin möglich wird. Wird dieses ΔM überschritten, so kann die Kupplung gelöst werden, wobei nun die Feder bis zu einem Drehmoment Mmax Energie aufnehmen kann und anschließend die Verdrehung bei Erreichen des maximal möglichen Drehmomentes Mmax blockiert.
Die in der Feder gespeicherte Energie beim maximalen Drehmoment Mmax kann in der Folge an das System abgegeben werden, wobei sich nach kurzer Zeit eine minimale Schwankung des mittleren Momentes um ΔM einstellen kann. Somit kann die Kupplung 24 beim Zeitpunkt t2 wieder eingerastet werden, bis schließlich beim Zeitpunkt t.3 erneut ΔM überschritten wird und durch Freigabe der Kupplung überschüssige Energie entweder gespeichert oder bei nachlassendem Moment an das Gesamtsystem zurückgeführt werden kann, bis schließlich wieder bei U eine Schwankung des Drehmoments im Bereich ΔM erreicht wird, so dass erneut die Kupplung 24, wie in Figur 7 gezeigt, in Eingriff gebracht wird, um die beiden Bereiche des Antriebsstranges bzw. des Abtriebstranges miteinander zu verbinden.
Figuren 9 bis 11 zeigen Prinzipskizzen und Diagramme sowie ein Schaltbild einer Windkraftanlage gemäß dem Stand der Technik, die einleitend bereits erörtert wurden und zur Vermeidung von Wiederholungen hier nicht erneut betrachtet werden.
Bezuqszeichenliste
1 Energiegewinnungsanlage (1. Ausführungsform)
2 Energiegewinnungsanlage (2. Ausführungsform)
3 Energiegewinnungsanlage (3. Ausführungsform)
4 Energiegewinnungsanlage (4. Ausführungsform)
5 Energiegewinnungsanlage (5. Ausführungsform)
6 Energiegewinnungsanlage (6. Ausführungsform)
7 Energiegewinnungsanlage (Stand der Technik)
8 Rotor
9 Generator
10 Netz bzw. Last
11 mechanisches Speicherelement
12 elektrisches Speicherelement
13 elektromechanischer Wandler
14 Leistungselektronik
15 regelbarer Speicher
16 erster Zwischer\kreisspeicher
17 zusätzlicher zweiter Zwischenkreisspeicher
18 Wirbelstrombremse
19 Wirbelstrommotor
20 Antriebswelle (20')
21 Abtriebswelle (21 ')
22 Übersetzungsgetriebe
23 Federspeicherelement
24 Kupplung
25 Getriebeabzweigung
26 leistungselektronisches Stellglied
27 nachgeschaltete Einrichtung
28 Rotorblatt
29 Windböen
30 Antriebsstrang
31 Turm schatten
32 L-Filter und C-Filter Eingangsblock
33 3-phasiger Eingangsgleichrichter
34 Zwischenkreisspeicher
35 3-phasiger Ausgangswechselrichter
36 L-Filter und C-Filter Ausgangsblock
37 Generatorspannungsverlauf
38 Netzspannungsverlauf
39 Transformator
40 Generatorausgang
41 Steuergerät
42 D/D-Wandler
43 A/D-Wandler
44 D/A-Wandler
45 A/A-Stellglied
46 Dämpfungsglied
47 Dämpfungsglied
48 Dämpfungsglied
49 Dämpfungsglied
50 Torsionsfeder
51 erstes Ende der Torsionsfeder
52 zweites Ende der Torsionsfeder
Claims
1. Stationäre Energiegewinnungsanlage mit mindestens einem mechanisch angetriebenen Rotor (8) und einem mechanisch koppelten Generator (9), wobei die Energiegewinnungsanlage (1 ) eine Dämpfungsvorrichtung zur
Dämpfung mechanischer Schwingungen aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiegewinnungsanlage (1) mindestens ein mechanisches, hydraulisches, elektrisches oder chemisches Speicherelement (11, 12) mit oder ohne elektromechanischem Wandler (13) aufweist, das eine in einem Antriebsstrang auftretende Schwingung oder Störgröße durch Energieaustausch oder Energieherausnahme kompensiert oder dämpft.
2. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einer Leistungselektronik (14) ein regelbarer Speicher (15) zur Aufnahme von Energie angeordnet ist, der die Aufnahme von E- nergie in Abhängigkeit einer mechanischen Schwingungsbelastung der E- nergiegewinnungsanlage (1) variiert.
3. Energiegewinnungsänlage nach Anspruch 2, dad u rch ge ken nzeich net, dass die Leistungselektronik (14) ein leistungselektronisches Stellglied mit einem elektronischen Zwischenkreis aufweist, wobei der Zwischenkreis ei- nen ersten elektrischen Zwischenkreisspeicher (16) aufweist, dem ein oder mehrere zusätzliche Zwischenkreisspeicher (17) mit variabler Energieaufnahme parallel geschaltet sind.
4. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u rch geken nzeich net, dass die im Zwischenkreis gespeicherte Energie variabel ist.
5. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u rch geke n nze ich net , dass ein mechanischer Speicher (11) über einen elektromechanischen Wandler (13), der mit dem Rotor des Generators (9) zur Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße zusammenwirkt, mechanische Energie speichert und die gespeicherte Energie zurückgibt.
6. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer Speicher (11) über einen elektromechanischen Wandler (13), der mit dem Stator des Generators (9) zur Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße zusammenwirkt, mechanische Energie speichert und die gespeicherte Energie zurückgibt.
7. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Speicher (12) über ein leistungselektronisches Stellglied (26), das mit dem Rotor des Generators (9) zur Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße zusammenwirkt, elektrische Energie speichert und elektromechanisch oder elektrisch Energie zurückführt.
8. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Speicher (12) über ein leistungselektronisches Stellglied (26), das mit dem Stator des Generators (9) zur Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße zusammenwirkt, Energie speichert und als elektromechanische oder elektrostatische Energie zurückführt.
9. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebswelle (20) ein Dämpfungselement angeordnet ist, das als ein elektromechanischer Wandler wie eine Wirbelstrombremse (18) E- nergie zu einem Speicher (12) abführt und zeitversetzt wieder zuführt.
10. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abtriebswelle (21) eines Übersetzungsgetriebes (22) zwischen dem Rotor (8) und dem Generator (9) ein Dämpfungselement angeordnet ist, das als ein elektromechanischer Wandler wie eine Wirbelstrombremse
(18) Energie zu einem Speicher (12) abführt und zeitversetzt wieder zuführt.
11. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Antriebswelle (20) oder auf einer Abtriebswelle (21 ) eines Cl- bersetzungsgetriebes (22) ein Federspeicherelement (23) angeordnet ist, das eine veränderliche Torsionssteifigkeit aufweist und mit einem Antriebswellenbereich (20') bzw. Abtriebswellenbereich (21 ') mechanisch gekoppelt ist.
12. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Federspeicherelement (23) und Antriebswellenbereich (20') bzw. Abtriebswellenbereich (21 ') eine Kupplung (24) angeordnet ist.
13. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsgetriebe (22) eine Getriebeabzweigung (25) für mechanische Energie, die mechanisch speicherbar und elektromechanisch ab- rufbar ist, aufweist.
14. Energiegewinnungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer der Wellen (20, 21 ) in dem Antriebsstrang (30) ein Zweimas- senschwungrad angeordnet ist, das Torsionsschwingungen glättet.
15. Verfahren zur Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße einer E- nergiegewinnungsanlage (1) mit mindestens einem mechanisch angetriebenen Rotor (8) und einem mit dem Rotor mechanisch gekoppelten Gene- rator (9), wobei eine mit dem Generator (9) in Wirkverbindung stehende Leistungselektronik (14) einen variablen Energiefluss von dem Rotor (8) durch den Generator (9) und die Leistungselektronik (14) zur Last (10) ermöglicht, und wobei ein mechanisches, hydraulisches, chemisches oder e- lektrisches Speicherelement (11, 12) der Energiegewinnungsanlage (1 ) eine in einem Antriebsstrang (30) auftretende Schwingung oder Störgröße durch Energieaustausch kompensiert oder dämpft.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aktivieren einer Wirbelstrombremse (18) der Antriebswelle (20) und/oder der Abtriebswelle (21) einer Energiegewinnungsanlage (1) eine Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße erreicht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch Abzweigen eines Kraftflusses aus einem Übersetzungsgetriebe (22) und Ankoppeln einer nachgeschalteten Einrichtung (27) eine Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße erreicht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen zusätzlichen mechanischen oder elektrischen Speicher (11 , 12), in Zusammenwirken mit dem Rotor und/oder dem Stator des Ge- nerators (9) eine Dämpfung einer Schwingung oder einer Störgröße erreicht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dämpfungsfunktion einer Schwingung oder einer Störgröße durch einen zusätzlichen elektrischen Zwischenkreisspeicher (17) mittels zusätzlicher variabler Stromaufnahme unter variabler Zwischenkreisspan- nung der mit dem Generator (9) über eine Leistungselektronik (14) in Verbindung steht, erreicht wird.
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