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Dipl.-Ing. H. Leinweber (1930-1976) Dipl.-Ing. H. Zimmermann (1962-2002) Dipl.-Phys. Dr. Jürgen Kraus Dipl.-Ing. Thomas Busch Dipl.-Phys. Dr. Klaus Seranski

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Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Windenergieanlage an einem elektrischen Versorgungsnetz

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage an einer von einem elektrischen Versorgungsnetz gebildeten Last, bei dem in einem Normalzustand der Windenergieanlage die elektrische Ausgangsleistung ihres von ihrem windangetriebenen Rotor angetriebenen elektrischen Generators von dem Versorgungsnetz abgenommen wird, und bei dem die Windenergieanlage beim Eintritt einer Störung der Leistungsabnahme in einen sicheren Zustand überführt wird, sowie auf eine hierfür geeignete Schaltungsanordnung.

Bei derartigen Verfahren und Schaltungsanordnungen nimmt im Normalzustand der Windenergieanlage das elektrische Versorgungsnetz die von dem Generator erzeugte Ausgangsleistung ab. Wenn jedoch durch eine Störung, die beispielsweise durch einen Fehler in dem elektrischen Versorgungsnetz oder einem Umrichter der Windenergieanlage bedingt sein kann, die Leistungsabnahme unterbrochen wird, bedeutet dies für den Generator eine plötzliche Abschaltung der von ihm gespeisten elektrischen Last, wodurch das von ihm auf den Rotor ausgeübte Gegendrehmoment sprunghaft abfällt. Dadurch kommt es auf der mechanischen Seite zu einem Drehzahlanstieg, durch den sowohl der Rotor als auch der Generator in einen Überdrehzahlbereich gelangen können. Auf der elektrischen Seite kommt es zu einem Spannungsanstieg, der zu Überspannungen führen kann. Deshalb ist es bei derartigen Störungen der Leistungsabnahme erforderlich, die Windenergieanlage in einen sicheren Zustand zu überführen. Dies geschieht herkömmlich durch die bei Windenergieanlagen bekannte Blattverstellung, mit der es möglich ist, das von dem windangeströmten Rotor erzeugte Drehmoment zu regulieren. Die Ausregelzeit der Blattverstellung ist jedoch größer als 5 Sekunden und beläuft sich insbesondere auf 7 bis 8 Sekunden. Dadurch entsteht bei der Überführung der Windenergieanlage in ihren sicheren Zustand eine Übergangszeit, während der die vorstehend genannten mechanischen und elektrischen Überbelastungen nicht ausgeschlossen werden können. Zwar sind herkömmliche Windenergieanlagen mit einer Bremse versehen, die zur Drehzahlbegrenzung eingesetzt werden könnte. Dies hat jedoch den Nachteil einer hohen mechanischen Beanspruchung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Windenergieanlage bei einer Störung der Leistungsabnahme ohne die Gefahr von Überbeanspruchungen in einen sicheren Zustand überführt werden kann, sowie eine hierfür geeignete Schaltungsanordnung anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß der Windenergieanlage eine Ersatzlast zur Verfügung gestellt wird, von der die Abnahme der Ausgangsleistung des Generators für eine bei der Überführung von ihrem Normalzustand in ihren sicheren Zustand auftretende Übergangszeit aufrechterhalten wird.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Ableitung der Ausgangsleistung des Generators durch die Ersatzlast setzt im Vergleich zur Ausregelzeit einer mechanischen Regelung, beispielsweise der Blattverstellung der Windenergieanlage, praktisch verzögerungsfrei ein. Dadurch werden die mechanischen und elektrischen Belastungsverhältnisse der Windenergieanlage bis zum Wirksamwerden der mechanischen Regelung praktisch unverändert beibehalten, so daß die Windenergieanlage durch letztere ohne schädliche Belastungssprünge in ihren sicheren Zustand überführt werden kann. Im Idealfall entspricht die Leistungsabnahme der Ersatzlast derjenigen des Versorgungsnetzes vor dem Eintritt der Störung. Zwar ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die temporäre Belastung der Er- satzlast sehr hoch, doch ist dies nur während der verhältnismäßig kurzen Übergangszeit erforderlich, welche die mechanische Regelung benötigt, um die Drehmomentaufnahme des Rotors aus dem ihn anströmenden Wind herunterzuregeln. In der Praxis dauert die Übergangszeit, in der die Ersatzlast die Ausgangsleistung des elektrischen Generators übernehmen muß, nur wenige Sekunden, beispielsweise 2 bis 3 Sekunden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Windenergieanlage beim Eintritt der Störung von dem Versorgungsnetz getrennt und die Ersatzlast unmittelbar an den Ausgang des Generators angeschlossen wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß sich Fehler der dem Generator nachgeschalteten Anlagenteile, beispielsweise eines der Leistungseinspeisung in das Versorgungsnetz dienenden Umrichters, auf die Leistungsabnahme durch die Ersatzlast nicht auswirken.

Weiterhin ist es bevorzugt, daß die Ersatzlast die ihr zugeführte elektrische Leistung als Dissipationswärme abgibt. Da die Belastung der Ersatzlast nur wenige Sekunden dauert, ist es auch bei einer verhältnismäßig hohen Nennleistung der Windenergieanlage möglich, die von der Ersatzlast abgenommene Generatorleistung als Dissipationswärme an die Umgebungsluft abzugeben. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, daß die Temperatur der Ersatzlast überwacht und bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes die Abnahme der Ausgangsleistung des Generators abgebrochen wird. Durch diese Temperaturüberwachung und darauf ansprechende Außerbetriebnahme der Ersatzlast ist sichergestellt, daß letztere thermisch nicht beschädigt oder gar zerstört wird.

Eine zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe vorgesehene Schaltungsanord- nung zum Betreiben einer Windenergieanlage an einer von einem elektrischen Versorgungsnetz gebildeten Last, mit einem von einem windantreibbaren Rotor der Windenergieanlage antreibbaren elektrischen Generator, an dessen elektrischem Ausgang die von ihm erzeugbare elektrische Ausgangsleistung abnehmbar ist, einem eingangsseitig an den Ausgang des Generators und ausgangsseitig an das Versorgungsnetz angeschlossenen elektrischen Umrichter, und einer die Abnahme der elektrischen Ausgangsleistung des Generators überwachenden Sicherheitseinrichtung, durch die beim Eintritt einer Störung der Leistungsabnahme die Windenergieanlage von einem Normalzustand, in dem die Ausgangsleistung des Generators von dem Versorgungsnetz abgenommen wird, in einen sicheren Zustand überführbar ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Windenergieanlage von der Sicherheitseinrichtung für eine bei der Überführung von ihrem Normalzustand in ihren sicheren Zustand auftretende Übergangszeit von dem Versorgungsnetz trennbar und der Ausgang des Generators an eine die Leistungsabnahme aufrechterhaltende Ersatzlast anschaltbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 6 bis 15 angegeben.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der ein Ausfϋhrungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert ist.

In der einzigen Figur Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gezeigt. Diese umfaßt einen von einem nicht gezeigten windangetriebenen Rotor angetriebenen Generator G, der in diesem Aus- führungsbeispiel als drehstromerzeugender Asynchrongenerator ausgebildet ist. Dementsprechend ist die von dem Generator G ausgehende Leitung L, obwohl in Fig. 1 schematisch nur als einpolige Leitung dargestellt, als dreipolige Drehstromleitung ausgeführt.

Im normalen Betrieb der mit der gezeigten Schaltanordnung ausgestatteten Wind- energieanlage ist der Generator zur Abgabe seiner elektrischen Ausgangsleistung an ein Versorgungsnetz VN über einen Umrichter 12 angeschlossen. Der Umrichter 12 weist dabei in üblicher Weise einen rotorseitigen Pulswechselrichter und einen netzseitigen Pulswechselrichter auf, die über einen Gleichspannungszwischenkreis miteinander verbunden sind, und der detailliertere Aufbau des Umrichters 12 wird an dieser Stelle nicht weiter be- schrieben, ebensowenig wie die in üblicher Weise ausgestaltete Ankopplung an das Versorgungsnetz VN, bei der die Spannung ggf. noch über einen Mittelspannungstrafo auf die Netzspannung hochtransformiert wird.

An der Ausgangsseite des Umrichters 12 ist ein erster Schalter S1 angeordnet, um die Windenergieanlage bei Auftreten eines Fehlers im elektrischen Versorgungsnetz VN oder in dem Umrichter 12 durch dessen Öffnung vom Netz zu nehmen.

Des weiteren kann ein zweiter Schalter S2 dem Eingang des Umrichters 12 vorgeschaltet sein. Beim Einsatz einer Asynchronmaschine, wie im dargestellten Beispiel, ist dieser zweite Schalter S2 entbehrlich und wird üblicherweise nicht eingesetzt. Vielmehr kommt der zweite Schalter S2 bei Verwendung von Synchrongeneratoren zum Einsatz. Somit kann zum einen bei geöffnetem Schalter S2 spannungsfrei am Umrichter 12 gearbeitet werden. Andererseits wird der Schalter S2 zur Abschaltung der Anlage bei Störungen betätigt, die auf einen Fehler des Umrichters 12 zurückzuführen sind.

Somit kann die Windenergieanlage durch Betätigung des Schalters S1 und/oder des Schalters S2 vom Netz genommen werden, wenn eine Störung auftritt. Um das dann auftretende schlagartige Abfallen der von dem Generator G gespeisten elektrischen Last zu kompensieren, wird mit der als 20 bezeichneten Schaltgruppe über einen dritten Schal- ter S3 eine Ersatzlast zugeschaltet, die in Fig. 1 schematisch als dissipativer Widerstand R1 angezeigt ist. In einer konkreten Ausgestaltung kann die Ersatzlast durch eine Anzahl von Lastwiderständen gebildet sein, die in Sternanordnung angeschaltet sind. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die Lastwiderstände in Dreieckanordnung zu schalten. Die Lastwiderstände sind im Turmfuß der Windenergieanlage untergebracht.

Wie aus Fig. 1 gut zu erkennen ist, ist die Schaltgruppe 20 bzw. der zum Schalter S3 führende Leitungsabschnitt L3 an einer Stelle P in die den Generator G und das Versorgungsnetz VN verbindende Leitung L eingeschaltet, die dem Generator G unmittelbar nachgeschaltet ist. Mit anderen Worten ist in dem Leitungsabschnitt L1 zwischen dem Generator G und der Abzweigstelle P keine Leistungselektronik des Umrichters 12 mehr angeordnet. Letztere ist vielmehr in dem stromabwärts der Abzweigstelle P anschließenden Abschnitt L2 der Leitung L angeordnet. Somit kann die Ersatzlast R1 durch Schließen des Schalters S3 zuverlässig zugeschaltet werden, da im einfach ausgeführten Leitungsabschnitt L1 keine Fehler oder Unterbrechungen zu befürchten sind.

Bei Auftreten einer Störung, sei es durch einen Fehler im Versorgungsnetz VN oder einen Fehler in dem Umrichter 12, wird die Schaltanordnung wie folgt beschaltet:

Die Störung wird von einem nicht dargestellten Sensor erfaßt und einer ebenfalls nicht dargestellten Steuerung der Schaltungsanordnung signalisiert. Letztere gibt Steuersignale zum Öffnen des ersten Schalters S1 und ggf. des zweiten Schalters S2 ab. Das Abtrennen der Anlage vom Versorgungsnetz VN erfolgt dabei typischerweise auf einer Skala deutlich unterhalb der erwähnten Ausregelzeit der Rotorblattverstellung. D

Gleichzeitig mit dem Öffnen der Schalter S1 und ggf. S2 oder nach einer vorgegebenen Abwartezeit wird die Pitchregelung des windangetriebenen Rotors zur Änderung der Anstellwinkel der Rotorblätter angesteuert, um den Rotor in eine Trudelbewegung zu überführen. Um die in der Zwischenzeit vom Abkoppeln des Versorgungsnetzes VN bis zum vollständigen Überführen des Rotors in die Trudelstellung erzeugte Ausgangsleistung abgeben zu können, wird von der Steuerung das Schließen des dritten Schalters S3 bewirkt. Dazu sind zwei alternative Ausgestaltungen des Schalters S3 denkbar. Er kann zum einen als Schließer ausgeführt sein, ist dann im Normalzustand der Schaltanordnung geöffnet und wird durch ein entsprechendes Steuersignal (aktiv) zum Schließen betätigt. Alternativ kann der Schalter S3 auch als in Normalstellung geöffneter Öffner ausgeführt sein, der bei festgestelltem Netzausfall automatisch zufällt.

Nach Schließen des Schalters S3 wird die elektrische Ausgangsleistung des Generators G von der Ersatzlast R1 abgenommen. Die Widerstände der Ersatzlast R1 kön- nen dimensionsmäßig einstellbar sein, so daß sie wahlweise auf eine Teillast der Nennlast, die Nennlast, aber auch eine höhere Last als die Nennlast ausgelegt sind, z. B. bis zu dem 1 ,5fachen der Nennlast. Im Idealfall sind die Widerstände derart eingestellt, daß die Ersatzlast im wesentlichen der Last des Versorgungsnetzes VN zum Zeitpunkt von dessen Abtrennung entspricht.

Durch die Bereitstellung der Ersatzlast können somit auf der mechanischen Seite ein Drehzahlanstieg und dadurch bedingte mechanische Belastungen vermieden werden. Auf der elektronischen Seite können Spannungsanstiege und infolge davon Überspannungen verhindert werden. Die Schaltgruppe 20 hat daher die Funktion eines Brems-Choppers und kann durch Öffnen des Schalters S3 wieder abgekoppelt werden, sobald das vom windangeströmten Rotor erzeugte Drehmoment durch die vorgenommene Blattverstellung unter eine vorgegebene Grenze gefallen ist.

Das Öffnen des Schalters S3 wird von der Steuerung auch dann bewirkt, wenn eine nicht dargestellte Temperaturüberwachung der Ersatzlast R1 feststellt, daß die Temperatur der Widerstände aufgrund der hohen dissipativ umgesetzten elektrischen Energie eine vorgegebene (kritische) Temperaturgrenze erreicht, damit es zu keiner Beschädigung der

Ersatzlast R1 kommt. Hinsichtlich der technischen Ausgestaltung des Schalters S1 sind ebenfalls mehrere Gestaltungen denkbar. Er kann beispielsweise als Sicherungslast-Trennschalter oder als Leistungsschalter ausgeführt sein. Insbesondere ist auch an die Verwendung eines Leistungsschützes mit Absicherung gedacht. Auch können leistungselektronische Bauele- mente mit Schaltfunktion verwendet werden, insbesondere mit Hinblick auf die Schutz- und Überwachungsaspekte der gesamten Schaltgruppe. Insbesondere ist dabei an den Einsatz von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) gedacht. Selbstverständlich ist der Schalter S3 bei dreiphasigem Leiteranschluß L3 entsprechend als Dreifachschalter ausgelegt. Hinsichtlich ihrer Nennwerte sind die vorgeschlagenen Schalter großzügig aus- gelegt, um die beim Trennen des Schalters S1 auftretenden hohen Spannungen im Leitungszweig L1 , L3 fehlersicher auf die Ersatzlast R1 zu schalten, ohne daß ein Funktionsausfall des Schalters S3 zu besorgen ist.