Windenergieanlagen, bei denen eine Leistungsbegrenzung durch Nutzung des Stall- Effekts erfolgt, also durch Abriß der Strömung am Rotorblatt, können mit zwei oder mehreren unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten. Dazu sind diese Windenergie- anlagen entweder mit einer polumschaltbaren Asynchronmaschine oder mit mehre- ren Asynchronmaschinen ausgestattet. Bei einer polumschaltbaren Asynchron- maschine wird die Polpaarzahl der Maschine geändert. Beispielsweise lassen sich bei einer sogenannten Dahlander-Wicklung durch Vertauschen der Wicklungsenden einer Hälfte der Spule zwei Polpaarzahlen mit Verhältnis 1 : 2 realisieren. Auch andere Polpaarzahlverhältnisse sind möglich, diese werden in der Regel durch zwei oder mehr getrennte Wicklungen ausgeführt. Es sind polumschaltbare Asynchron- maschinen mit zwei, drei oder mehr diskreten Drehzahlen bekannt.

Die Verwendung von mehreren Asynchronmaschinen oder einer oder mehrerer umschaltbarer Asynchronmaschinen bietet den Vorteil, daß die Windenergieanlage abhängig von den herrschenden Windverhältnissen wahlweise mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten kann.

Das Konzept solcher Windenergieanlagen mit einer oder mehreren festen Dreh- zahlen wird auch als das"dänische Konzept"bezeichnet. R. Gasch beschreibt in "Windkraftanlagen : Grundlagen und Entwurf, Teubner Stuttgart 1996 auf Seiten 316-320, daß beim Umschalten von der niedrigen auf die höhere Drehzahl einfach der Generator mit der niedrigen Drehzahl vom Netz getrennt und abgewartet wird, bis sich durch die Wirkung des Windes die Drehzahl des Antriebsstrangs so weit erhöht hat, daß der Generator für die höhere Drehzahl mit dem Netz verbunden wer- den kann.

Aus DE 196 34 464 C2 ist bekannt, daß beim Umschalten von der höheren Drehzahl auf die niedrigere Drehzahl der Generator für die höhere Drehzahl vom Netz getrennt und anschließend der Generator für die niedrigere Drehzahl mit dem Netz verbunden wird. Dies bewirkt eine Abbremsung des Antriebsstrangs auf die Dreh- zahl des Generators mit der niedrigen Drehzahl. Wie in DE 196 34 464 C2, Spalte 2, Zeile 64 bis Spalte 3, Zeile 45 beschrieben ist, führt dies zu sehr hohen Belastungen des Antriebsstrangs und zu erheblichen Rückwirkungen ins Netz. Auch können unter ungünstigen Umständen Schäden am Generator auftreten. DE 196 34 464 C2 schlägt daher vor, einen Retarder einzusetzen, der elektrisch zugeschaltet wird, wenn der asynchrone Generator in Betriebszuständen oberhalb des optimalen Bereichs betrieben wird.

Aus DE 101 53 798 C2 ist eine Vorrichtung zum Bremsen des Antriebsstrangs einer Windenergieanlage bei einer unerwünscht hohen Belastung bekannt, bei der zusätz- lich zu einem Verzögerungsmoment ein auf die Eigenfrequenz des Antriebsstrangs abgestimmtes, phasenversetztes Verzögerungsmoment zusätzlich durch eine hydraulische Bremse aufgebracht wird. Hierdurch wird eine schlagartige Einleitung des maximalen Verzögerungsmoments in den Antriebsstrang verhindert, wodurch sich dessen Belastung reduziert.

E. Philippow beschreibt im Taschenbuch Elektrotechnik, Band 5, VEB Verlag Technik Berlin, 2. unveränderte Auflage, 1986, Seiten 406-414 ein Nutzbremsen bei Asynchromnaschinen.

In Technical Notes D4,2001 der Firma ABB Industry Oy, Finland sind eine Reihe von Bremssystemen für die Verwendung bei Kränen, Aufzügen und Skiliften beschrieben. Als eine von vielen möglichen Bremsverfahren wird eine Gegenstrom- bremse beschrieben, bei der ein Motor in die entgegengesetzte Drehrichtung geschaltet wird. Nach Abbremsung bis zum Stillstand beginnt der Motor sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, wenn der Strom nicht rechtzeitig unter- brochen wird. Von diesem Verfahren wird beschrieben, daß es ein sehr hohes Bremsmoment erzeugt, wodurch eine starke Temperaturbildung in dem Motor einsetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verringerung der Drehzahl am Antriebsstrang zu schaffen und eine Windenergieanlage bereitzu- stellen, bei dem (r) durch die Verringerung der Drehzahl keine übergroßen Belastun- gen für den Antriebsstrang und für die Asynchronmaschine (n) sowie Rückwirkun- gen ins Netz entstehen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und 9 gelöst. Ebenfalls wird die Aufgabe durch eine Wind- energieanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 17 gelöst. Vorteilhafte Ausge- staltungen der Verfahren und der Windenergieanlage bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verringerung der Drehzahl des Antriebsstrangs in einer Windenergieanlage mit mindestens zwei Asynchron- maschinen wird die Drehzahl von einer ersten Drehzahl auf eine zweite Drehzahl verringert. Hierbei ist die erste Drehzahl einer ersten Asynchronmaschine und die zweite Drehzahl einer zweiten Asynchronmaschine als (Nenn) Drehzahl zugeordnet.

In einem ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erste Asynchronmaschine vom Netz getrennt. Bevorzugt ist zu diesem Zeitpunkt keine der Asynchronmaschinen an das Netz angeschlossen. In einem nachfolgenden Ver- fahrensschritt wird eine der Asynchronmaschinen mit vertauschter Polung mit dem Netz verbunden. Hierdurch wird ein Bremsmoment auf den sich drehenden Antriebsstrang ausgeübt. In einem nachfolgenden Schritt wird die Asynchron- maschine mit der vertauschten Polung vom Netz getrennt, wenn die Drehzahl des Antriebsstrangs kleiner als ein vorbestimmter Drehzahlwert ist. Nachfolgend wird die zweite Asynchronmaschine in einer Polung für den Generatorbetrieb mit dem Netz verbunden. Der Betrieb der Windenergieanlage kann so fortgesetzt werden.

Obwohl bekannt ist, daß bei Gegenstrombreinsen von Motoren ein sehr hohes Bremsmoment entsteht, führt dieses Verfahren bei seiner Anwendung am Generator einer Windenergieanlage zu verhältnismäßig niedrigen Momenten im Antriebsstrang und belastet diesen nicht unnötig. Im Gegensatz zu der ebenfalls häufig bei Wind- energieanlagen vorgesehenen aerodynamischen Bremse, bei der die Spitze des Rotorblatts um ungefähr 80° verdreht wird, tritt bei dem erfindungsgemäßen Brems- verfahren keine übermäßige Geräuschentwicklung auf. Auch werden weder Fest- stell-noch Betriebsbremse zum Umschalten der Drehzahl eingesetzt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die vertauschte Polung aufgehoben, wenn die erreichte Drehzahl einen vorbestimmten Wert, der kleiner oder gleich der Synchrondrehzahl der zweiten Asynchronmaschine ist, unterschreitet. Es erfolgt also keine Bremsung des Antriebsstrangs bis zum Stillstand.

Vorzugsweise wird zum Heruntersetzen der Drehzahl die erste Asynchronmaschine mit vertauschter Polung mit dem Netz verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die zweite Asynchronmaschine mit vertauschter Polung mit dem Netz verbun- den werden. Bevorzugt schaltet ein Thyristorsteller die Asynchronmaschinen an das Netz, wobei bei Erreichen der Nenndrehzahl der Thyristorsteller durch ein Netz- schütz überbrückt wird. Der Thyristorsteller wird sowohl zur Begrenzung des Stroms beim Gegenstrombremsen als auch bei der Aufnahme des Generatorbetriebs des zweiten Generators eingesetzt, wobei nach Erreichen des Betriebspunkts oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer der Thyristorsteller überbrückt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls bei einer polumschaltbaren Asynchronmaschine mit zwei oder mehreren diskreten Drehzahlen eingesetzt wer- den. Die polumschaltbare Asynchronmaschine besitzt in einer ersten Stufe eine erste Drehzahl und in einer zweiten Stufe eine zweite, kleinere Drehzahl. Bei dem erfin- dungsgemäßen Verfahren wird die Asynchronmaschine in einem ersten Schritt vom Netz getrennt und nachfolgend wird eine Stufe der Asynchronmaschine mit ver- tauschter Polung mit dem Netz verbunden. Die Stufe mit der vertauschten Polung wird wieder vom Netz getrennt, wenn die Drehzahl des Antriebsstrangs kleiner als ein vorbestimmter Wert für eine Drehzahl ist. Bevorzugt ist auch hier der vorbe- stimmte Wert für die Drehzahl die Synchrondrehzahl der zweiten Stufe oder ein kleinerer Vorgabewert. Zweckmäßigerweise ist auch die polumschaltbare Asynchronmaschine wieder über einen Thyristorsteller an das Netz angeschlossen, der nach Erreichen des Generatorbetriebs durch ein Netzschütz überbrückt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls durch eine Wind- energieanlage mit einer Asynchronmaschineneinrichtung gelöst, die mindestens zwei Drehzahlen besitzt, wobei eine Schalteinrichtung in einer Verbindung zwischen der Asynchronmaschineneinrichtung und dem Netz vorgesehen ist, die die Polung an der Asynchronmaschineneinrichtung zur Gegenstrombremsung ver- tauscht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt die Asynchronmaschineneinrichtung zwei Asynchronmaschinen mit unterschiedlicher Drehzahl, wobei die Schalt- einrichtung in einer Verbindung einer der Asynchronmaschinen mit dem Netz vor- gesehen ist. Bevorzugt handelt es sich hierbei um die zweite Asynchronmaschine mit der niedrigeren Drehzahl.

Alternativ kann die Schalteinrichtung auch in einer Verbindung zu der ersten Asynchronmaschine mit der höheren Drehzahl vorgesehen sein. Auch kann die Schalteinrichtung derart angeordnet sein, daß eine Umpolung an beiden, konstruktiv getrennt ausgebildeten Asynchronmaschinen stattfindet.

Die Asynchronmaschineneinrichtung kann in einer alternativen Ausgestaltung auch eine polumschaltbare Asynchronmaschine aufweisen, die mindestens zwei Stufen mit unterschiedlichen Drehzahlen besitzt, wobei die Schalteinrichtung die Polung in der ersten oder zweiten Stufe vertauscht.

Bevorzugt ist die Windenergieanlage mit einem Thyristorsteller versehen, der durch ein Netzschütz parallel überbrückt wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschrieben. Es zeigt : Fig. 1 ein Flußdiagramm zu dem erfindungsgemäßen Verfahren, Fig. 2 ein Schaltdiagramm zu der Windenergieanlage und Fig. 3 einen beispielhaften Verlauf für eine Drehzahl beim Abbremsen.

Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 betrifft zwei Asynchronmaschinen Gl, G2, die allgemein mit dem Bezugszeichen 1 und 2 versehen sind. In dem dargestellten Aus- führungsbeispiel ist dem Generator Gl eine hohe Drehzahl nl zugeordnet, bei- spielsweise eine Drehzahl von 1500 min~l. Dem Generator G2 ist eine niedrigere Drehzahl n2, beispielsweise von 1000 min'\ zugewiesen. Die Nennleistung des Generators G2 kann beispielsweise 200 kW betragen, während die Nennleistung des Generators Gl in dem Beispiels 1 MW beträgt. Die Generatoren können über die Schalter 3 und 4 jeweils mit dem Netz verbunden werden. Beim Einschaltvorgang der Windenergieanlage wird in der Regel der Generator über einen Thyristorsteller 7 auf das Netz geschaltet, um den Einschaltstrom des Generators zu begrenzen. Nach einigen Sekunden wird der Thyristorsteller 7 durch das Netzschütz 6 überbrückt.

Bei der erfindungsgemäßen Windenergieanlage ist parallel zu dem Schalter 4 ein Umschalter 5 vorgesehen, der im geschlossenen Zustand die Polung an dem Gene- rator G2 vertauscht. Durch die vertauschte Polung an dem Generator G2 erfolgt eine Gegenstrombremsung des Antriebsstrangs, bis die erzielte Drehzahl kleiner als die Synchrondrehzahl des Generators G2 ist. Schalter 3,4 und 5 sind derart ausgebildet, daß diese gegeneinander mechanisch oder elektronisch verriegelt sind, um lediglich einen dieser drei Schalter mechanisch zu schließen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird von einer nicht dargestellten Steuereinheit oder einem Steuermodul innerhalb einer Steuereinrichtung durchgeführt. Als Ein- gangsgröße an der Steuereinheit liegt ein gemessener oder berechneter Wert für die Drehzahl des Antriebsstrangs an. In der Steuereinheit abgelegt ist ein Drehzahlwert nx, bis zu dem abgebremst wird. Als Ausgangsgröße kann die Steuereinrichtung den Schalter 5 ansteuern und gegebenenfalls Steuersignale zur Ansteuerung der weiteren Schalter und/oder des Thyristorstellers absetzen oder diese auch direkt ansteuern.

Ferner können in der Steuereinheit weitere Parameter für Umschaltbedingungen abgelegt sein, wobei die Steuereinheit dann auf entsprechende Kenngrößen zur Überprüfung der Umschaltbedingungen zurückgreifen kann. Mögliche Umschalt- bedingungen sind : - Windgeschwindigkeit, <BR> <BR> - Generatorstrom,<BR> - Generatorleistung.

Auch Kombinationen dieser Bedingungen sind denkbar.

Nachfolgend mit Bezug auf Fig. 1. Das Verfahren zum Umschalten von Generator Gl auf Generator G2 erfolgt mit folgenden Schritten : - Während des Betriebs 20 von G1 wird geprüft, ob eine Abschaltbedingung 21 erfüllt ist. Ist die Leistung P des Generators kleiner als eine vorbestimmte Umschaltleistung Pl. 2, so ist in Schritt 212 die Umschaltbedingung erfüllt, ansonsten kehrt das Verfahren mit Schritt 211 zum Betrieb von Gl und zur Abfrage 21 zurück, -bei erfüllter Umschaltbedingung wird in Schritt 22 durch Öffnen der Schalter 3 und 6 der Generator Gl vom Netz getrennt, - in Schritt 23 wird der Generator G2 mit dem Netz mit vertauschter Zuleitung durch Schließen des Schalters 5 und Ansteuern des Thyristorstellers 7 in Schritt 24 verbunden, wobei mit Hilfe des Thyristorstellers 7 der Strom 1 auf einen geeigneten Wert IBr begrenzt wird, - nach Erreichen einer vorgegebenen Drehzahl nx, die kleiner als die Synchron- drehzahl des Generators G2, vgl. Schritt 25, Zweig 252, ist, wird der Generator G2 durch den Thyristorsteller 7 (Verringern des Stroms bis auf 0, vgl. Schritt 26) und anschließendes offenen des Schalters 5, vgl. Schritt 27, vom Netz getrennt, durch den Wind wird der Antriebsstrang wieder auf die Nenndrehzahl n2 des Generators G2 beschleunigt. Hierbei handelt es sich ausgehend von der Drehzahl nx um einen an sich bekannten Startvorgang 28 für den Generator G2. Dieser erfolgt beispielsweise, indem der Schalter 4 geschlossen und der Thyristorsteller 7 angesteuert wird, bis ein Betriebspunkt erreicht wurde, anschließend wird durch Schalter 6 der Thyristorsteller 7 überbrückt und der Generator geht in den Generatorbetrieb 29 über.

Fig. 3 zeigt schematisch den Drehzahlverlauf des Antriebsstrangs über der Zeit. In einem ersten Zeitabschnitt 31 liegt die Drehzahl ni zum Betrieb des Generators G1 vor. In Zeitpunkt 32 ist eine Umschaltbedingung erfüllt und es erfolgt eine Abbrem- sung der Drehzahl 33 bis zu einem Zeitpunkt 34, in dem die Drehzahl kleiner oder gleich einem vorbestimmten Drehzahlwert nx ist. Fig. 3 ist zu entnehmen, daß der Wert für nx kleiner als die Synchrondrehzahl n2 des Generators G2 ist. Nachfolgend zu dem Abbremsvorgang erfolgt ein Hochfahren des Generators G2, während der Zeitdauer 35, bis die Drehzahl n2 für den Generator G2 erreicht wurde und dieser im Zeitintervall 36 seinen regulären Betrieb aufgenommen hat.