Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Triebstrang umfassend einen Wind rotor, einem von dem Triebstrang angetriebenen Generator, der mit einem Umrichter zu sammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung in einem Normalbetrieb, sowie einer An schlussleitung zur Abgabe der erzeugten Leistung an ein Netz und einer Steuerung, die eine Generatorregelung aufweist und dazu ausgebildet ist die Windenergieanlage zu betreiben. In einem Trudelbetrieb ist der Windrotor ungesperrt und drehbeweglich.

Windenergieanlagen weisen unterschiedliche Betriebsmodi auf. Grundsätzlich sind dies min destens zwei Modi, nämlich zum einen der sogenannte Netzparallelbetrieb, bei dem die Windenergieanlage vollständig aktiv ist sowie Leistung produziert und an das Netz abgibt, und zum anderen den Nichtaktivität-Modus, bei dem die Windenergieanlage vollständig nicht aktiv ist und ggf. auch überhaupt kein Netz verfügbar ist. Optional können weitere Betriebs modi vorgesehen sein, beispielsweise ein Betriebsmodus zur Generierung von Blindleistung im Stillstand: produziert die Windenergieanlage keine Wirkleistung (d. h. dieser Modus ist im Prinzip auch bei Schwachwind oder Flaute verfügbar), speist aber über ihren Umrichter Blindleistung in das Netz ein. Ist die Windenergieanlage nicht in Betrieb, so kommt es bei schwachem Wind regelmäßig dazu, dass der Windrotor langsam dreht (unterhalb der Ein schaltdrehzahl der Windenergieanlage). Man spricht hier vom sog. Trudelbetrieb und davon, dass die Windenergieanlage bzw. der Windrotor trudelt. Hierbei dreht der Windrotor mit sehr niedriger Drehzahl, die deutlich unter regulären Betriebsdrehzahlen liegt, und somit auch unterhalb der Einschaltdrehzahl der Windenergieanlage. Dieser Trudelbetrieb kann auftreten wenn Netz verfügbar ist, kann aber auch dann auftreten, wenn kein Netz verfügbar ist und die Windenergieanlage somit keine Leistung in das (nicht vorhandene) Netz einspeisen kann. Trudelbetrieb ist also nicht zwingend auf Schwachwind-Situationen beschränkt.

Es hat sich gezeigt, dass der Trudelbetrieb Schwingungen in der Windenergieanlage und ihren Komponenten hervorrufen kann. Diese Schwingungen können wegen der damit ein hergehenden Wechselbelastung gefährlich sein und Schäden hervorrufen. In manchen Fäl len kann man dem durch Inbetriebnehmen der Windenergieanlage begegnen (wenn der Wind hierfür ausreicht). Allerdings setzt das voraus, dass ein Netz zur Verfügung steht, an das die erzeugte elektrische Leistung abgeführt werden kann; ist das nicht der Fall, so steht diese Option nicht zur Verfügung, oder es müssen sogenannte Dumploads im Windpark be- reitgestellt werden zum Dissipieren der erzeugten elektrischen Leistung. Dies ist jedoch mit zwei Nachteilen verbunden. Der eine Nachteil besteht darin, dass für die Bereitstellung der Dumpload zusätzliche Hardware erforderlich ist. Der andere besteht darin, dass es durch die Schwingungen im Trudelbetrieb nicht nur zu periodisch variierter mechanischer Leistung kommt, sondern auch unerwünschte Leistungspendelungen bei der elektrischen Leistung auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung des Verhaltens der Windener gieanlage im Trudelbetrieb zu erreichen, insbesondere schädliche Auswirkungen dabei ent stehender Schwingungen zu vermindern.

Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vor teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei einer Wndenergieanlage mit einem mechanischen Triebstrang umfassend einen Wndro- tor, einem von dem mechanischen Triebstrang angetriebenen Generator, der mit einem Um richter zusammenwirkt zur Erzeugung elektrischer Leistung in einem Normalbetrieb und ei ner Steuerung, sowie einer Anschlussleitung) zur Abgabe der erzeugten Leistung an ein Netz, wobei die Steuerung eine Generatorregelung aufweist und dazu ausgebildet ist die Windenergieanlage zu betreiben, und wobei der Wndrotor in einem Trudelbetrieb ungesperrt und drehbeweglich ist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Zusatzsteuerung für den Trudelbetrieb vorgesehen ist, die eine Detektoreinrichtung) für eine Drehung des Wndrotors) mit einer Drehzahl unterhalb einer Einschaltdrehzahl umfasst, die bei einer Drehzahl des Windrotors unterhalb der Einschaltdrehzahl eine Oszillations-Dämpfungseinrichtung für den Generator betätigt, die den Generator als gesteuerten Dämpfer für mechanische Schwin gungen im Triebstrang schaltet.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, die bei dem Betrieb der Windenergieanlage im Tru delbetrieb erzeugte Leistung aufzunehmen, genauer gesagt zu kompensieren und sie so zu reduzieren. Das geschieht mittels aktiver elektrischer Dämpfung unter Nutzung des Genera tors. Die Erfindung macht sich hierbei zu Nutze, dass bei dem Trudelbetrieb und der damit einhergehenden niedrigen Drehzahl des Windrotors (unterhalb der Einschaltdrehzahl der Windenergieanlage) auch eine verhältnismäßig kleine Schwingungsfrequenz erzeugt wird, die von der aktiven Dämpfung zu tilgen ist (im Bereich von einigen Zehntel Hertz bis 10 Hz, meist Bereich um 1 Hertz). Die bei der aktiven Dämpfung entstehende Leistung kann mittels des Generators selbst kompensiert werden. Somit ist es für die erfindungsgemäße aktive Dämpfung nicht erforderlich, dass eine Verbindung zum Netz besteht (in das die Leistung dann einfach abgeführt werden könnte), noch ist es erforderlich, dass gesonderte Leistungs senken („Dumploads“) bereitgestellt werden. Die Erfindung benötigt beides nicht, sondern ihr gelingt es, die Windenergieanlage selbst dafür heranzuziehen. Zusätzlicher Hardwareauf wand ist somit kaum erforderlich.

Somit kann die Erfindung auf rein elektrische Weise, ohne zusätzliche bzw. verschleißbehaf tete Mechanik (d. h. mechanikfrei), insbesondere im Hinblick auf Schwingungen des

Triebstrangs das Betriebsverhalten der Windenergieanlage im Trudelbetrieb verbessern.

Passend zu der im Trudelbetrieb schwankenden mechanischen Leistung kann durch Modu lation der Generatorverluste, beispielsweise der Generatorerregung, eine entsprechende Steuerung der elektrischen Verlustleistung im Generator bewirkt werden. Es wird der Verlust so eingestellt (moduliert), dass die elektrische Leistungsabgabe der Windenergieanlage ver gleichmäßigt ist gegenüber der mechanischen Leistungseingabe über den Windrotor. Im Ergebnis vergleichmäßigt sich so die abzugebende elektrische Leistung. Schädlichen Folgen von unkontrollierten Leistungsschwankungen bzw. -pendelungen können damit vermieden werden. Zweckmäßigerweise ist eine Feldschwächungseinrichtung für den Generator vorge sehen. Mit ihr kann durch Feldschwächung ein gewünschter Verlust im Generator eingestellt werden. Um einen möglichen instabilen Zustand zu vermeiden, ist zweckmäßigerweise vor gesehen, dass die Feldschwächung nur unterhalb eines einstellbaren Maximal- Drehmoments aktiv ist, wobei das einstellbare Maximal-Drehmoment abhängig von einem Magnetisierungsstrom ist. Die Erfindung hat weiter erkannt, dass bei hohem Drehmoment eine Feldschwächung sich kontraproduktiv auf die Stabilität der Regelung und den Betrieb der Windenergieanlagen im Ganzen auswirken kann. Um dies zu vermeiden, wird die Feld schwächung begrenzt auf einen Bereich unterhalb eines einstellbaren Maximal- Drehmoments, das noch als sicher eingestuft ist.

Die niedrige Drehzahl des Windrotors im Trudelbetrieb bringt einige Besonderheiten mit sich. Anders als bei der im Normalbetrieb üblichen hohen Drehzahl ist durch die niedrige Drehzahl die Frequenz niedrig. Das hat Folgen für frequenzabhängige induktive Effekte, wie bei spielsweise in Bezug auf die sogenannten Eisenverluste bzw. Kupferverluste im Generator. Damit sind die durch magnetische Durchflutung bewirkten Verluste in den metallischen Komponenten des Generators bzw. die in den Wicklungen des Generators entstehenden Verluste gemeint. Die Erfindung hat erkannt, dass bei den typischen niedrigen Drehzahlen im Trudelbetrieb die elektrischen Frequenzen derart niedrig sind, dass bezogen auf Nenn magnetisierung und Nennwirkstrom bei Generatoren mit Käfigläufer bzw. doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren (DFIG) mit Statorkurzschluss zwar Eisenverluste vernachlässigt wer- den können, Kupferverluste aber nicht. Um diese hinreichend zu berücksichtigen, ist eine erste Berechnungseinheit vorgesehen. Dank der Berücksichtigung dieser Verluste kann eine präzisere Steuerung erreicht werden, wodurch sich die Qualität der von der Oszillations- Dämpfungseinrichtung bewirkten Dämpfung erhöht. Bei steigender Drehzahl kann der Punkt erreicht werden, an dem die Eisenverluste nicht mehr ohne weiteres vernachlässigt werden können. Um auch diesen Betriebsfall hinreichend sicher abdecken zu können, ist zweckmä ßigerweise eine zweite Berechnungseinheit vorgesehen. Sie ist dazu ausgebildet, oberhalb einer einstellbaren Drehzahlgrenze auch Eisenverluste im Generator zu berücksichtigen. Damit kann nicht nur im ganz tiefen, sondern auch im etwas höheren Drehzahlspektrum die Qualität der erfindungsgemäßen Dämpfung gesteigert werden.

Vorzugsweise ist die Modulationseinrichtung ausgebildet zur Einstellung eines so großen Verlusts, dass keine oder nur eine minimale Leistung in das Netz eingespeist wird. Damit kann auch bei einem nicht mehr vorhandenen Netz (Netzausfall) bzw. nur noch marginal leistungsfähigem Netz die erfindungsgemäße Oszillations-Dämpfungseinrichtung sicher be trieben werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der Generator als ein Asynchrongenerator ausgeführt sein, vorzugsweise mit Käfigläufer. Diese Bauart ist von hoher praktischer Bedeu tung und ist typischerweise mit einem Vollumrichter versehen, welcher die gesamte von dem Generator erzeugte Leistung verarbeitet. Die Erfindung ist aber darauf nicht beschränkt. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Generator als ein doppelt gespeister Asynchron generator ausgeführt sein. Bei dieser Bauart braucht der Umrichter nicht für die volle von dem Generator erzeugte Leistung ausgelegt zu sein, sondern nur für einen Teil (typischer weise ein Drittel). Diese Bauart mit Teilumrichter ist technisch anspruchsvoller. Von Haus aus kann sie nur in einem eingeschränkten Drehzahlbereich um die sogenannte Synchron drehzahl herum betrieben werden. Um einen Betrieb auch bei sehr niedrigen Drehzahlen, wie im Fall des Trudelbetriebs, zu ermöglichen, ist häufig eine Absenkung der Statorspan nung (oder Umschaltung der Statorwicklung) erforderlich. Dies ist grundsätzlich zwar prob lemlos, anders sieht es aber bei Trudelbetrieb während eines Netzausfalls aus. Um die An wendung der Erfindung dennoch auch bei Windenergieanlagen mit doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren zu ermöglichen, sieht die Erfindung eine so einfache wie wirksame Maßnahmen vor, um die Statorspannung abzusenken: zweckmäßigerweise ist ein Kurz schlussschalter für den Stator vorgesehen, der bei dem erfindungsgemäß Trudelbetrieb be tätigt wird. Da im Trudelbetrieb das Leistungsniveau niedrig ist, stört unter Erzeugungsge sichtspunkten der Kurzschluss des Stators nicht. Der Kurzschluss ermöglicht es aber, die Statorspannung in der gewünschten Weise abzusenken und damit die Voraussetzungen für den Betrieb der erfindungsgemäßen Oszillations-Dämpfungseinrichtung zu schaffen. Der Generator wird dann über die Rotorspannung geführt, nicht mehr wie sonst üblich über die Statorspannung. Zweckmäßigerweise ist ferner ein von der Oszillations- Dämpfungseinrichtung betätigtes Sondersteuerungsmodul für den Umrichter vorgesehen, um den Umrichter der Windenergieanlage bei betätigtem Kurzschlussschalter auf eine ge genüber dem Normalbetrieb abgewandelte Weise zu betreiben. Auf diese Weise wird der Umrichter speziell an die Anforderungen des Betriebs mit kurzgeschlossenem Stator ange passt.

Vorzugsweise ist ein Unterspannung-Speisungsgerät vorgesehen, das dazu ausgebildet ist im Trudelbetrieb den Zwischenkreis mit einer gegenüber dem Normalbetrieb verringerten Spannung zu speisen. Bei den im Trudelbetrieb auftretenden niedrigen Drehzahlen ist eine hohe Spannung im Zwischenkreis nicht erforderlich. Die Erfindung nutzt dies und betreibt den Zwischenkreis mit einer reduzierten Spannung. Optional ist das Unterspannung- Speisegerät dazu ausgebildet, den Zwischenkreis mit einer Spannung von höchstens einem Fünftel, vorzugsweise nur einem Zehntel der Zwischenkreisnennspannung zu speisen, die weiter vorzugsweise mindestens ein Zwanzigstel der Zwischenkreisnennspannung beträgt. Diese Spannungsbereiche haben sich bewährt für den Trudelbetrieb mit den für ihn typi schen niedrigen Drehzahlen des Windrotors.

Mit Vorteil ist eine Hilfsspeisung-Einrichtung vorgesehen, die im Trudelbetrieb den Zwi schenkreis des Umrichters mit elektrischer Energie im Fall eines Netzausfalls versorgt. Somit kann die erfindungsgemäße Oszillations-Dämpfung auch dann erfolgen, wenn das Netz aus gefallen ist und somit eine Erregung des Generators mangels Versorgung sonst nicht mög lich wäre. Eine klassische Eigenversorgung der Windenergieanlage bzw. des Wndparks scheidet bei Trudelbetrieb bekanntlich aus, da definitionsgemäß dabei nicht genug Wind für den Betrieb der Windenergieanlage weht. Durch die Hilfsspeisung-Einrichtung wird die benö tigte Energie bereitgestellt. Der Schutz der Wndenergieanlagen vor schädlichen Oszillatio nen kann somit auch bei Netzausfall wirken. Vorzugsweise fungiert die Hilfsspeisungs- Einrichtung wahlweise ferner als Leistungssenke zur Aufnahme von Leistung aus dem Zwi schenkreis im Dämpfungsbetrieb.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen. Nachfolgend wird die Erfindung unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung näher beispiel haft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung einer Windenergieanlage gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2a, b Blockschaltbilder zum elektrischen Leistungsstrang einer Windenergieanlage mit verschiedenen Generatoren;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Zusatzsteuerung mit Oszillations- Dämpfungseinrichtung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild mit einer Hilfsspeisungseinrichtung für Inselbetrieb;

Fig. 5a, b Diagramme zum Drehzahlbereich eines doppelt gespeisten Asynchrongenera tors mit Stator kurzgeschlossen bzw. am Netz;

Fig. 6a, b Ersatzschaltbilder für einen Asynchrongenerator in ursprünglicher und aufbe reiteter Form;

Fig. 7 ein Diagramm für den Zusammenhang Drehmoment im Triebstrang und Min destmagnetisierungsstrom;

Fig. 8a - e Diagramme zur Funktionsweise der erfindungsgemäßen Oszillationsdämpfung;

und

Fig. 9 ein Blockschaltbild mit einer alternativen Hilfsspeisungseinrichtung.

Eine beispielhafte Ausführungsform für eine in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 ver sehene Windenergieanlage 1 ist in Figur 1 dargestellt.

Die Windenergieanlage 1 weist einen Turm 10 auf, an dessen oberen Ende eine Gondel 11 in Azimutrichtung schwenkbeweglich angeordnet ist. Die Gondel 11 weist an einer Stirnseite einen drehbeweglich angeordneten Wndrotor 12 auf, der über einen symbolhaft durch eine Rotorwelle dargestellten mechanischen Triebstrang 13 einen in der Gondel 1 1 angeordneten Generator 2 antreibt. Der Generator 2 wirkt mit einem Umrichter 3 zusammen und wandelt die von dem Triebstrang 13 kommende mechanische Leistung um in elektrische Leistung. Diese wird über eine Anschlussleitung 16, welche durch den Turm 10 der Windenergieanla ge verläuft, zu einem am Fuß des Turms 10 angeordneten Anlagentransformator 17 geführt. Von dort wird sie über eine Anschlussleitung 19 an ein Netz (parkinternes Netz oder Über- tragungsnetz) abgegeben. Zur Bestimmung der abgegebenen Leistung ist eine Leistungs messeinrichtung 15 vorgesehen, die zweckmäßigerweise Sensoren zur phasenrichtigen Messung von Spannung und Strom umfasst. Dargestellt ist die Leistungsmesseinrichtung 15 netzseitig des Anlagentransformators, sie kann aber genauso gut auf der anderen Seite, also anlagenseitig, des Anlagentransformators 17 angeschlossen sein.

Ferner in der Gondel 11 vorgesehen ist eine Betriebssteuerung 4 für die Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Zusatzsteuerung 5 für den Trudelbetrieb. Die Steuerung 4 ist in an sich bekannter Weise dazu ausgebildet, den Betrieb der Wndenergieanlage zu über wachen und zu steuern. Insbesondere wirkt sie zusammen mit dem Umrichter 3, um elektri sche Parameter des Generators 2 einschließlich seiner Erregung sowie die Leistungsabgabe zu steuern. Dies ist an sich bekannt und braucht daher nicht näher betrieben zu werden. Zu diesem Zweck ist die Steuerung 4 über nicht dargestellte Signalverbindungen mit diversen Sensoren der Wndenergieanlage 1 verbunden, die aus Gründen besserer Übersichtlichkeit ebenfalls nicht dargestellt sind, beispielsweise Sensoren für die Drehzahl des Wndrotors 12, diverse Strom- und Spannungssensoren für elektrische Parameter am Umrichter 3 sowie für die Magnetisierung und Magnetisierungsstrom des Generators 2.

Das Zusammenwirken von Generator 2 und Umrichter 3 zur Erzeugung und Abgabe der elektrischen Leistung ist in Figur 2 für zwei verschiedene Arten von Generatoren dargestellt. In Figur 2a ist dargestellt eine Ausführungsvariante, bei welcher der Generator 2 als eine Asynchronmaschine (mit Käfigläufer) ausgeführt ist. Dieser ist von dem Windrotor 12 (ganz rechts dargestellt) über den Triebstrang 13 angetrieben. Der Generator 2 wandelt die me chanische Leistung um in elektrische Leistung. Er gibt sie ab an den Umrichter 3, der gene ratorseitig einen maschinenseitigen Wechselrichter 31 aufweist. An diesen ist über einen Gleichspannung-Zwischenkreis 30 ein netzseitiger Wechselrichter 32 angeschlossen. Am Ausgang des Wechselrichters 32 ist eine Drossel 33 angeschlossen mit einem Kondensator 34 sowie einem Trennschalter 35. Daran schließt sich an der Anlagentransformator 17 und die Anschlussleitung 19 mit einem Netzschalter 18 zur Abgabe der Leistung an ein Netz 9.

In Figur 2b dargestellt ist eine Ausführungsvariante, bei welcher der Generator 2‘ als eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine ausgeführt ist. Sie weist einen feststehenden Stator 21 sowie einen umlaufenden Rotor 22 auf. Der Stator 21 ist direkt über einen sogenannten Statorzweig mit dem Anlagentransformator 17‘ zur Abgabe elektrischen Leistung verbunden, es ist lediglich ein Trennschalter 38 vorgesehen. Der Rotor 22 ist über einen sogenannten Rotorzweig mit maschinenseitigem Wechselrichter 31 , Gleichspannung-Zwischenkreis 30 und netzseitigem Wechselrichter 32 des Umrichters angeschlossen. Daran schließen sich, ähnlich wie bei der Ausführungsvariante gemäß Figur 2a, die Drossel 33‘ und der Kondensa tor 34‘ an. Über einen Trennschalter 35‘ ist der Rotorzweig schließlich über eine Verknüp fungsstelle 39 an den Statorzweig und somit den Anlagentransformator 17‘ angeschlossen. Als Besonderheit ist am Statorzweig ein Kurzschlussschalter 36 für den Stator 21 vorgese hen. Im Normalbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geöffnet, so dass der Stator 21 wie üblich betrieben ist. In dem erfindungsgemäßen Trudelbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geschlossen, wodurch die Wicklungen des Status 21 kurzgeschlossen sind. Im Übrigen ent spricht der Aufbau gemäß Figur 2b sinngemäß demjenigen gemäß der Ausführungsvariante gemäß Figur 2a, worauf zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen wird.

Die Zusatzsteuerung 5 umfasst als Hauptkomponenten eine Detektoreinrichtung 51 sowie eine Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 für den Generator 2. Sie ist dazu ausgebildet, im Trudelbetrieb auftretende mechanische Schwingungen im Triebstrang zu dämpfen. Sie be wirkt dies indem sie auf den Generator 2 einwirkt, der insoweit als aktiv gesteuerter Dämpfer geschaltet ist. Der Generator 2 wechselt also seine Funktion im Trudelbetrieb, indem er nicht (nur) für die Leistungserzeugung an sich herangezogen wird, sondern funktional als gesteu erter aktiver Dämpfer fungiert. Auf diese Weise können die unerwünschten Schwingungen, wie sie beim Trudelbetrieb hervorgerufen werden, effektiv bekämpft werden, ohne dass dazu zusätzliche aufwendige Hardware erforderlich ist. Aufbau und Funktionsweise werden nach folgend näher erläutert.

An der Detektoreinrichtung ist ein Drehzahlsignal 50a angelegt. Der Detektor ermittelt daraus, ob die Drehzahl n des Wndrotors 12 unterhalb einer einstellbaren Grenzdrehzahl liegt. Ist das der Fall, so gibt die Detektoreinrichtung 51 an ihrem Ausgang ein Betätigungssignal für die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 aus. An diese ist ebenfalls das Drehzahlsignal 50a sowie ein Signal 50b für das Drehmoment T in dem Triebstrang 13 angelegt. Ferner angelegt ist ein Signal 50c für die von der Wndenergieanlage 1 erzeugte elektrische Leistung P. Die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 weist eine Modulationseinrichtung 53 auf, welche da zu ausgebildet ist, anhand dieser Parameter Schwingungen in dem Triebstrang 13 zu erken nen und im weiteren Schaltsignale zu bestimmen zur Reduktion bzw. Kompensation dieser Schwingungen. Deren Funktionsweise wird später näher erläutert werden.

Ferner umfasst die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 eine erste Berechnungseinheit 54 sowie eine zweite Berechnungseinheit 55. Sie sind ausgebildet zur Berücksichtigung von Kupferverlusten im Generator 2 bzw. beim Betrieb mit höherer Drehzahl oberhalb einer ein stellbaren Drehzahlgrenze auch zur Berücksichtigung von Eisenverlusten im Generator. Da mit kann eine weitere Verfeinerung des Ergebnisses erreicht werden. Ferner weist die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 eine Schaltersteuerung 57 für den Kurzschlussschalter 36 auf. Dazu wirkt die Schaltersteuerung 57 auf eine Fernschalteinheit 37 am Kurzschlussschalter 36 ein. Damit kann die Oszillations-Dämpfungseinrichtung 52 im Trudelbetrieb den Stator 21 des Generators kurzschließen.

Weiter vorgesehen ist eine Feldschwächungseinrichtung 58. Sie ist dazu ausgebildet eine Feldschwächung der Erregung im Generator zu bewirken, um so Verluste Generator 2 und insbesondere dessen Wicklungen zu modulieren. Hierbei wird der Magnetisierungsstrom in Abhängigkeit von dem mechanischen Drehmoment variiert. Angelegt ist ein Signal 50d für ein maximales Drehmoment Tm.

Weiter vorgesehen ist ein Sondersteuermodul 7, das von der Schaltersteuerung 57 betätigt ist. Es wirkt auf den Umrichter 3 und ist dazu ausgebildet, die Umrichterspannung im Trudel betrieb zu reduzieren. Die Reduktion ist abhängig von der Drehzahl im Trudelbetrieb und der Generatorbauart; so reicht bei einer Drehzahl von 100 min ^-1 im Trudelbetrieb anstatt Dreh zahlen im Normalbetrieb von 1200 bis 1800 min ^-1 für Generatoren mit Käfigläufer eine Span nung von 5 bis 10% des Nominalwerts aus, bei doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren ist die Rotorspannung um den Faktor des Übersetzungsverhältnisses zwischen Rotor und Sta tor (wR/wS, häufig im Bereich 2...3) höher.

Bevor die Funktionsweise näher erläutert wird, sei zuerst auf Figur 4 Bezug genommen. Dort ist dargestellt ein Unterspannungsspeisegerät für den Gleichspannung-Zwischenkreis 30 des Umrichters 3. Eine Problematik bei dem Trudelbetrieb besteht darin, dass, wie bereits ein gangs erläutert, die Windenergieanlage wegen der geringen Drehzahl kaum bzw. keine Leis tung erzeugt. Das Erreichen einer ausreichenden Magnetisierung des Generators 2 ist daher schwierig (und bei Windenergieanlagen 1 mit Teilumrichter häufig unmöglich). Um auch bei dieser niedrigen Drehzahl (die bei Windenergieanlagen 1 mit doppelt gespeisten Asynchron generator 2‘ weit von der eigentlichen Synchrondrehzahl entfernt ist) dennoch einen Betrieb zu ermöglichen, ist eine Spannungsversorgung zum Aufbauen und Halten der Zwischen kreisspannung am Umrichter 3 vorgesehen. Sie ist in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet und umfasst eine Batterie 63, die über einen DC/DC-Spannungswandler und Leitung 65 mit Trennschalter 66 an den Gleichspannung-Zwischenkreis 30 des Umrichters 3 angeschlossen ist. Der Anschluss erfolgt an einem Punkt„B“ des Umrichters 3, wie er auch in Figur 2a, b dargestellt ist. Ferner an die Batterie 63 angeschlossen ist eine an sich her kömmliche unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) 62, die über einen Umschalter 61 ein Eigenbedarfsnetz 60 der Windenergieanlage 1 speist. Üblicherweise erfolgt die Speisung des Eigenbedarfsnetz 60 über das Netz, das dazu an einen Anschluss 61‘ des Umschalters 61 angeschlossen ist. Somit kann über die Batterie 63 und den DC/DC-Wandler 64 eine Ver sorgung des Umrichters 3, und zwar insbesondere von dessen maschinenseitigen Wechsel richter 31 , mit einer ausreichenden Spannung auch bei Stillstand (oder nur geringer Drehzahl) der Windenergieanlage 1 erreicht werden. Angesteuert ist die Unterspannungsspeisegerät 6 von einem Speisesteuermodul 56. Im Normalbetrieb hingegen ist der Trennschalter 66 ge öffnet, somit sind die Batterie 63 und der DC/DC-Wandler 64 vom Zwischenkreis getrennt.

Zur Verbesserung des Verhaltens von doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren 2‘ in die sem Betriebszustand mit sehr niedriger Drehzahl dient der Kurzschlussschalter 36. Im Nor malbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geöffnet, so dass der Stator 21 wie üblich betrie ben ist. In dem erfindungsgemäßen Trudelbetrieb ist der Kurzschlussschalter 36 geschlos sen, wodurch die Wicklungen des Stators 21 kurzgeschlossen sind. Damit mutiert der dop pelt gespeisten Asynchrongeneratoren funktional gesehen zu einem invertierten Asynchron generator in Käfigbauweise, und zwar mit vertauschter Wirkung von Stator und Rotor. Übli cherweise ist beim Asynchrongenerator mit Käfigläufer der Rotor kurzgeschlossen und der Stator ist die eigentliche Leistungswicklung; bei dem erfindungsgemäßen doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren ist als Folge des Kurzschlussschalters der Stator kurzgeschlossen und somit wird der Rotor zu der eigentlichen Leistung abgebenden Wicklung. Mit diesem Kunstgriff, der gegebenenfalls unabhängigen Schutz verdient, kann erreicht werden, dass der bei niedrigen Drehzahlen nur schwer oder gar nicht zu betreibende doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren das viel günstigere Betriebsverhalten des Käfigläufer- Asynchrongeneratoren annimmt.

Zur Verdeutlichung wird nachfolgend kurz auf die Spannungs-Charakteristik eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators über den Drehzahlbereich eingegangen, wie sie in Figur 5a, b dargestellt ist. Bei der normalen Betriebsweise gemäß Fig. 5b (ohne kurzgeschlossenen Stator) erreicht die Rotorspannung U2 ihr Minimum bei der Synchrondrehzahl n _syn c und steigt mit zunehmender Abweichung von der Synchrondrehzahl sowohl nach unten hin zur Mini maldrehzahl n _min wie auch nach oben hin zur Maximaldrehzahl n _max an bis hin zu der Haupt feldspannung, wie sie in Figur 5b durch die horizontale mit dicken Punkten markierte Linie dargestellt ist. Die maximale Umrichterspannung ist in der Figur 5a, b durch eine dünne hori zontale Linie U3 dargestellt. Bei der Betriebsart mit kurzgeschlossenem Stator gemäß Figur 5a kann aus der maximalen Umrichterspannung U3 (siehe dünne horizontale Linie) wegen des sich aus dem Windungszahlverhältnis von Stator 21 und Rotor 22 ergebenden Span nungsübersetzung ü nur noch ca. ein Drittel der nominellen Hauptfeldspannung (bezogen auf den Stator) erzeugt werden, wie sich aus der Darstellung der Hauptfeldspannung durch die mit dicken Punkten markierte Linie ergibt. Bei kurzgeschlossenem Stator kann mittels Feldschwächung ein Betrieb auch außerhalb des durch die vertikalen gestrichelten Linien markierten Drehzahlbereichs erfolgen, sofern die maximale Umrichterspannung U3 entspre chend angehoben wird (sie muss immer größer sein als die Rotorspannung U2).

Ersatzschaltbilder eines Asynchrongenerators in ursprünglicher und aufbereiteter Form sind in Figur 6a, b dargestellt. Im linken Teil ist der Stator 21 und im rechten Teil ist der Rotor 22 dargestellt, jeweils mit einer Induktivität und einem ohmschen Ersatzelement für die Verluste im Rotor bzw. Stator, wobei im Rotor eine Abhängigkeit vom Schlupf s besteht. Am Stator liegt die Spannung U1 an und es fließt der Statorstrom 11 , und am Rotor liegt die Spannung U2 an und es fließt der Rotorstrom I2. Am Verknüpfungspunkt zwischen Rotor und Stator sind Ersatzelemente angeordnet, und zwar eines für eine Induktivität X _h der Hauptfeldwick lung und ein ohmsches Ersatzelement für die sog. Eisenverluste RFE. Bei kleinen Drehzahlen können die Eisenverluste vernachlässigt werden. Dieses Ersatzschaltbild kann auch für eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit kurzgeschlossenem Stator verwendet werden, wobei entsprechend in der Darstellung Rotor und Stator zu vertauschen sind.

Ein aufbereitetes Ersatzschaltbild ist in Figur 6b dargestellte. Der linke Teil mit dem Stator ist unverändert. In dem rechten Teil betreffend den Rotor sind nunmehr zwei ohmsche Ersatze lemente angeordnet, wobei das eine R22 für die Verluste in der Rotorwicklung selbst steht und das andere für die mechanische Leistung des Triebstrangs 13 (beide Terme in Summe ergeben wiederum R2/s in Übereinstimmung mit der Darstellung in Figur 6a). Hierbei sei angemerkt, dass die Hauptfeldspannung U _h und der deren Strom L orthogonal zueinander sind, wobei gilt lh = - j ^* IM, und IM für den Betrag des Magnetisierungsstroms steht. In Bezug auf den phasenmäßig vari ablen Rotorstrom I2 ergibt sich somit, dass die Wirkleistung definiert ist durch das Produkt aus der Hauptfeldspannung U _h und dem Realteil des Rotorstroms I2, hier bezeichnet als I2A, und die Blindleistung definiert ist durch das Produkt aus der Hauptfeldspannung U _h und dem Imaginärteil des Rotorstroms I2, hier bezeichnet als I2B.

Daraus ergeben sich für die Modulationseinrichtung 52 folgende Beziehungen. Für die me chanische Leistung gilt P _m =-— - · R2 12 - 12 - 3 ,

s wobei 12 konjugiert komplex zu 12 ist.

Für die vom Schlupf s abhängige Statorfrequenz fs gilt f _S = f +f =f + ^S fs _’ wobei f _m für die mechanische Drehzahl steht, die sich aus dem Produkt aus tatsächlicher Drehzahl n und der Polpaarzahl pp ergibt.

Für die Hauptfeldspannung gilt betrachtet vom Rotorzweig und ferner gilt für die Hauptfeldspannung betrachtet vom Magnetisierungszweig 23 (bei ver nachlässigtem Eisenwiderstand R _Fe )

U _h =j - 2rf _s - L _h - I _h .

Durch Einsetzen der Gleichungen und Umformung ergibt sich schließlich aufgelöst nach dem komplexen Rotorstrom 12 die Gleichung

Die Lösungen ergeben sich durch Nullsetzen des Realteils sowie des Imaginärteils. So ergibt sich für den Realteil und für den Imaginärteil durch Auflösen der quadratischen Gleichung und Einsetzen der aus dem Realteil gewonnenen Gleichung für I2A

Mit der Nebenbedingung, dass der Wurzelterm mindestens Null betragen muss, ergibt sich für das Drehmoment M und den komplexen Strom im Hauptfeld (Magnetisierungsstrom I)

Der sich somit ergebende Mindestwert für den Magnetisierungsstrom IM (gestrichelte Linie) in Abhängigkeit von dem zu kompensierenden Drehmoment M im Triebstrang (durchgezogene Linie) ist grafisch dargestellt in Figur 7.

Die Wirkung der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 8a-8e erläutert. Anfänglich sei die Windenergieanlage 1 betrieben wie im Stand der Technik (im Zeitraum bis zum Zeitpunkt t = 4 s). Dabei ergeben sich die in Figur 8b dargestellten Werte für das antrei bende Drehmoment in der Rotorwelle 13 und die in Figur 8c dargestellten Werte für den Magnetisierungsstrom. Letzterer ist (ohne die Erfindung) konstant. Die sich dabei im Genera tor ergebende Verlustleistung ist in Figur 8d dargestellt, wobei die durchgezogene Linie die Verluste im Stator und die gestrichelte Linie die Gesamtverluste des Generators darstellt. Die resultierende mechanische Generatorleistung ist in Figur 8e mit durchgezogener Linie und die elektrische Generatorleistung mit gestrichelter Linie dargestellt.

Zum Zeitpunkt t = 4 s erfolgt eine Umschaltung auf den erfindungsgemäßen Betrieb. Das vom Wind über den Windrotor 12 auf die Rotorwelle 13 aufgebrachte Antriebsmoment ist unverändert (s. Figur 8b), d. h. es setzt sich bezogen auf den vorhergehenden konventionel len Betrieb unverändert fort. Anders der Magnetisierungsstrom (s. Figur 8c), der nun ab dem Zeitpunkt t = 4 s erfindungsgemäß gesteuert wird. Dadurch werden die Verluste im Genera tor gesteuert (moduliert), wie in Figur 8b dargestellt ist. Der Generator fungiert so als gesteu erter aktiver Dämpfer. Deutlich erkennt man, dass insbesondere die Gesamtverluste des Generators (gestrichelte Linie) stark verändert werden durch die erfindungsgemäße Ansteu- erung. Diese Gesamtverluste sind relevant für das mechanische Verhalten des Generators (Bremsmoment). Dank der erfindungsgemäßen Ansteuerung werden die Gesamtverluste so moduliert durch Steuerung des Magnetisierungsstroms, dass am Ende eine Vergleichmäßi gung der mechanischen Leistung steht (s. glatten Teil der durchgezogenen Linie in Figur 8e) Die bei herkömmlichem Betrieb (s. Zeitraum von 0 bis 4 s) bestehenden gefährlichen Leis tungspendelungen sind damit beseitigt.

Eine alternative Ausführungsform für die Hilfsspeisungseinrichtung ist in Figur 9 dargestellt. Bei dieser ist abweichend von Figur 4 der Einspeisepunkt am Umrichter anders gelegt. Er befindet sich an der Stelle„A“ (vgl. Figur 2a, b) und nicht wie bei der Ausführungsform ge mäß Figur 4 an der Stelle„B“. Damit ist auch der netzseitige Wechselrichter 32 einbezogen. Der Aufbau ist damit vereinfacht. Im Übrigen entspricht der Aufbau demjenigen gemäß Figur 4, wobei für gleichartige Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet sind. Zur Vermei dung von Wiederholungen wird auf die obenstehenden Erläuterungen zu Figur 4 verwiesen.