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Title:
WIND ENERGY PLANT HAVING A DOUBLE-ENERGIZED ASYNCHRONOUS GENERATOR AND CONVERTER CONTROL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/103504
Kind Code:
A3
Abstract:
The invention relates to a method for controlling a converter (7) of a wind energy plant, the converter being connected to the rotor of a double-energized asynchronous generator (4) for supplying electric energy to a power grid (10), wherein the converter (7) comprises an inverter (71) on the generator side, an inverter (72) on the power grid side, and at least one converter regulator for regulating and/or controlling the current that is supplied by the at least one inverter (71, 72) to the double-energized asynchronous generator (4) and/or to the power grid (10), and to a corresponding wind energy plant. The steps according to the invention include the detection of a change of the output effective power, the determination of whether the detected change suffices for a predefined condition, and the change of the target value of the idle power to be output, in opposite direction of the change of the effective power at the inverter (71) on the power grid side, and in the same direction of the inverter (72) on the generator side, as long as the predefined condition has been met. The inverters (71, 72) are detuned inversely of each other. Utilizing such targeted detuning achieves improved behavior at the power grid (10), particularly improved support.

Inventors:
LETAS HEINZ-HERMANN (DE)
FORTMANN JENS (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/001139
Publication Date:
November 05, 2009
Filing Date:
February 18, 2009
Export Citation:
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Assignee:
REPOWER SYSTEMS AG (DE)
LETAS HEINZ-HERMANN (DE)
FORTMANN JENS (DE)
International Classes:
H02M5/453; H02J3/18; H02P9/48; H02P27/04
Domestic Patent References:
WO2005099063A12005-10-20
Foreign References:
GB2432267A2007-05-16
US20030214823A12003-11-20
US5652485A1997-07-29
Attorney, Agent or Firm:
GLAWE DELFS MOLL (Hamburg, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Steuern eines Umrichters einer Wind- energieanlage, der am Rotor eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators zur Einspeisung elektrischer E- nergie in ein elektrisches Netz angeschlossen ist, wobei der Umrichter einen generatorseitigen Wechselrichter, einen netzseitigen Wechselrichter und we- nigstens einen Umrichterregler zum Regeln und/oder

Steuern der von dem wenigstens einem der Wechselrichter an den doppelt gespeisten Asynchrongenerator und/oder das elektrische Netz abgegebenen Strom um- fasst, mit den Verfahrensschritten:

Detektieren einer änderung der abgegebenen Wirkleistung,

Bestimmen, ob die detektierte änderung einer vordefinierten Bedingung genügt, und

ändern des Sollwerts der abzugebenden Blindleistung, und zwar gegenläufig zu der änderung der Wirkleistung am netzseitigen Wechselrichter und mitläufig bei dem generatorseitigen Wechselrichter, sofern die vordefinierte Bedingung erfüllt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die abgegebene Wirkleistung aus der Spannung und dem

abgegebenen Wirkstrom bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die gegenläufige und die mitläufige änderung so aufeinander abgestimmt werden, dass eine Kompensation der Blindleistung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Detektieren der Wirkleistungsänderung durch überwachen der Netzfrequenz erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Bedingung eine änderung der Netzfrequenz umfasst, insbesondere ein Unterschreiten einer unteren Grenzfrequenz und/oder ein überschreiten einer oberen Grenzfrequenz.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die gegenläufige änderung des Sollwerts der Blindleistung so bemessen wird, dass die Scheinleistung des netzseitigen Wechselrichters (72) konstant

bleibt .

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

die gegenläufige änderung des Sollwerts der Blindleistung so bemessen wird, dass die von der Windenergieanlage abgegebene Scheinleistung konstant bleibt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch

Durchführen einer Vorsteuerung, bei der die änderung des Blindleistungssollwerts für mindestens einen der beiden Wechselrichter (71, 72) abhängig von der Netzfrequenz erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die gegen- und mitläufige änderung so vorgesteuert werden, dass die Gesamtblindleistung der Windenergieanlage unverändert bleibt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

die änderung des Blindleistungssollwerts in Abhängig-

keit von einer Zustandsgröße limitiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

als Zustandsgröße ein Temperatursignal des doppelt gespeisten Asynchrongenerators, seines Rotors, seines Stators und/oder mindestens eines der Wechselrichter (71, 72) verwendet wird.

12. Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem davon angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator (4) mit einem Umrichter (7) umfassend einen genera- torseitigen Wechselrichter (71) , einen netzseitigen Wechselrichter (72) und wenigstens einen Umrichterregler zum Einspeisen von elektrischer Energie in ein Netz (10) und eine mit dem Umrichterregler zusammenwirkende Steuereinrichtung, der zum Steuern oder Re- geln der von wenigstens einem der Wechselrichter (71, 72) an den doppelt gespeisten Asynchrongenerator (4) und/oder das elektrische Netz (10) abgegebenen Strom ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Messmodul (23) zum Erfassen der abgegebenen Wirkleistung und ein änderungsbestimmungsmodul (24) vorgesehen sind, welches zum Detektieren einer änderung der abgegebenen Wirkleistung und zum Bestimmen, ob die detektierte änderung einer vordefinierten Bedingung genügt, sowie zum ändern des Sollwerts der abgegebenen Blindleistung gegenläufig zu der änderung der

Wirkleistung bei dem netzseitigen Wechselrichter (12) und mitläufig bei dem generatorseitigen Wechselrichter (71) , sofern die Bedingung erfüllt ist, ausgebildet ist.

13. Windenergieanlage nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Umrichterregler zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 11 ausgebildet ist.

Description:

Windenergieanlage mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator und Umrichterregelung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Umrichters einer Windenergieanlage, der am Rotor eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators zur Einspeisung elektrischer Energie an ein elektrisches Netz angeschlossen ist, wobei der Umrichter einen generatorseitigen Wechselrichter und einen netzseitigen Wechselrichter aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Windenergieanlage mit einem Umrichter und einer Umrichterregelung zur Ausführung des Verfahrens .

Frequenzumrichter finden in zunehmendem Maße Verwendung bei Windenergieanlagen. Moderne Windenergieanlagen sind üblicherweise drehzahlvariabel, sodass der Generator Wechselstrom mit unterschiedlicher Frequenz erzeugt. Zur Einspei- sung in ein festfrequentes Versorgungsnetz (üblicherweise 50 Hz) ist eine Frequenzumrichtung erforderlich. Dazu werden Frequenzumrichter verwendet. Bevorzugt verwendet werden dabei Umrichter, die aus einem mit dem Rotor des Generators elektrisch verbundenen generatorseitigen Wechselrichter, einem Gleichspannungszwischenkreis und einem mit dem Netz elektrisch verbundenen netzseitigen Wechselrichter bestehen. üblicherweise wurden Windenergieanlagen so betrieben, dass sie sich bei Netzfehlern, insbesondere Kurzschlüssen, vom Netz trennen. Mit zunehmender Verbreitung von Windener- gieanlagen und dem Anstieg der installierten Windleistung ist aber nicht mehr nur ein einfaches Einspeisen des Wirk-

Stroms in das elektrische Netz gefordert, sondern ein Betrieb der Windenergieanlagen ist gewünscht, der die Netzspannung stützt. Diese Netzspannung umfasst ein Einspeisen von Wirkleistung also auch unter ungünstigen Bedingungen, wie Spannungsabweichungen oder Abweichungen der Netzfrequenz vom Sollwert. Bei erniedrigter Spannung bzw. erniedrigter Netzfrequenz ist ein stützender Betrieb erwünscht. Dabei kann bei den für Windenergieanlagen höherer Leistung häufig verwendeten doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren das Problem entstehen, dass der Umrichter nur für etwa ein Drittel der elektrischen Leistung der Windenergieanlage ausgelegt ist und die zusätzliche zur Netzstützung notwendigen Ströme nicht mehr erreichen kann.

Aus der DE 10 2007 028 582 Al ist es bekannt, bei einem Generator mit Vollumrichter, über den die gesamte elektrische Leistung in das elektrische Netz eingespeist wird, den ge- neratorseitigen Wechselrichter direkt an das Netz anzuschließen, und zwar wenn der Generator keine Energie mehr erzeugt und damit der netzseitige Wechselrichter zur Ein- speisung zusätzlicher Blindleistung in das Netz herangezogen werden kann. Nachteilig an diesem Konzept ist, dass die erwünschte Stützung nur dann erfolgen kann, wenn vom Generator keine Energie abgegeben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Windenergieanlagen der eingangs genannten Art mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator die Netzstützung zu verbessern.

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

Bei einem Verfahren zum Steuern eines Umrichters einer Windenergieanlage, der am Rotor eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators zur Einspeisung elektrischer Energie in ein elektrisches Netz angeschlossen ist, wobei der Umrich- ter einen generatorseitigen Wechselrichter, einen netzsei- tigen Wechselrichter und wenigstens einen Umrichterregler zum Regeln und/oder Steuern der von dem wenigstens einem der Wechselrichter an den doppelt gespeisten Asynchrongenerator und/oder das elektrische Netz abgegebenen Strom um- fasst, ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Detektieren einer änderung der abgegebenen Wirkleistung, ein Bestimmen, ob die detektierte änderung einer vordefinierten Bedingung genügt, und ändern des Sollwerts der abzugebenden Blindleistung, und zwar gegenläufig zu der änderung der Wirkleistung am netzseitigen Wechselrichter und mitläufig bei dem generatorseitigen Wechselrichter, sofern die vordefinierte Bedingung erfüllt ist.

Nachfolgend seien zuerst einige verwendete Begriffe erläu- tert:

Unter Wirkleistung wird der Teil der von der Windenergieanlage in das Netz abgegebenen Leistung verstanden, die sich aus dem Produkt aus Spannung und dazu in Phase befindlichem Strom (Wirkstrom) ergibt. Die Blindleistung ist das Produkt aus Spannung und dem nicht in Phase befindlichen Strom (Blindstrom) .

Unter der änderung der Wirkleistung wird eine änderung der Amplitude oder Phasenlage der Ströme zueinander oder im

Verhältnis zur Netzspannung oder einem anderen Referenzwert verstanden. Im Fall des generatorseitigen Umrichters fällt hierunter auch die änderung der in den Generator-Stator

eingeprägten Ströme verstanden. Auf die Art der Berechnung oder Darstellung kommt es hierbei nicht an, so werden die generatorseitigen Ströme von Umrichterreglern häufig in so genannten feldorientierten Koordinaten geregelt, welche ü- ber eine mathematische Transformation aus dem dreiphasigen System berechnet werden und zur Ansteuerung der Wechselrichter wieder in dieses rückgeführt werden.

Unter einer vordefinierten Bedingung wird insbesondere das Erreichen eines einstellbaren Grenzwerts für Netzparameter, wie Netzspannung oder Netzfrequenz verstanden. Diese Größe kann, muss aber nicht, direkt messbar sein, kann aber auch durch Berechnung bestimmt sein. Dabei braucht die vordefinierte Bedingung nicht zwingend in allen drei Phasen gleichzeitig vorzukommen, sondern es genügt, wenn sie nur in einer oder zwei Phasen auftritt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die Ausnutzung des Potentials einer Windenergieanlage mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator erheblich steigern lässt, wenn bei Auftreten bestimmter Bedingungen im Netz die Sollwertvorgaben beider Wechselrichter des Umrichters verändert werden, und zwar gegensinnig zueinander. Mit einer solchen gegenseitigen Verstimmung der Wechselrichter wird das Ge- samtverhalten des Umrichters bzw. der gesamten Windenergieanlage so verbessert, dass eine bessere Stützung des Netzes erreicht werden kann.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens ist da- bei wie folgt. Es wird geprüft, ob sich änderungen in Bezug auf die abgegebene Wirkleistung ergeben. Solche änderungen treten häufig als Folge von veränderten Zuständen im Netz auf, wie änderungen der Netzspannung und/oder Netzfrequenz.

In einem zweiten Schritt wird geprüft, ob diese änderung der abgegebenen Wirkleistung tatsächlich der vordefinierten Bedingung genügt, also ob beispielsweise die Netzfrequenz unter einen unteren Grenzwert gesunken ist. Dies geht bei einer Windenergieanlage mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator einher mit einer Steigerung der über den Rotorkreis, das heißt über den netzseitigen Wechselrichter, ins Netz abgegebene Wirkleistung. Die verfügbare Stromreserve des netzseitigen Wechselrichters zur Einspeisung von Blind- leistung verringert sich dadurch, was bisher eine Einschränkung für den Betrieb bzw. die Netzstützung durch die Windenergieanlage bedeutete. Die Erfindung vermeidet dies, indem sie eine gezielte und aufeinander abgestimmte änderung der Blindleistungssollwerte beider Wechselrichter, al- so sowohl des netzseitigen wie auch des generatorseitigen Wechselrichters, vornimmt. In einer auf den ersten Blick widersinnig erscheinenden Maßnahme wird gemäß der Erfindung der Blindleistungssollwert am netzseitigen Wechselrichter gegenläufig verändert, dass heißt bei Ansteigen der von ihm abgegebenen Wirkleistung wird der Blindleistungssollwert gesenkt, während erfindungsgemäß bei dem anderen, dem generatorseitigen Wechselrichter der Sollwert für die Blindleistung im umgekehrten Sinn, also mitläufig erhöht wird. Vorzugsweise erfolgt dabei das mitläufige Erhöhen des SoIl- werts am generatorseitigen Wechselrichter derart, dass gegenüber dem Netz eine Kompensation der Blindleistungsreduktion am netzseitigen Wechselrichter erreicht ist. Damit verhält sich die erfindungsgemäß betriebene Windenergieanlage in Bezug auf Blindleistung neutral gegenüber dem Netz, während gleichzeitig zur Stützung des Netzes weiterhin die volle, nicht-reduzierte Wirkleistung eingespeist wird. Eine gezielte überkompensation durch örtliches Einspeisen induk-

tiver oder kapazitiver Blindleistung zur weiteren Stützung des Netzes soll aber nicht ausgeschlossen sein.

Vorzugsweise erfolgt das Detektieren der Wirkleistungsände- rung durch überwachen der Netzfrequenz. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass die Wirkleistungsbalance eines Netzes sich in der Frequenz ausdrückt. So sinkt bei zu wenig Wirkleis ¬ tung die Netzfrequenz ab, während sie bei zu viel Wirkleis ¬ tung ansteigt. Die Erfindung macht sich dies zu Nutze, um mit einer überwachung der Netzfrequenz änderungen in Bezug auf die Wirkleistung zu detektieren. Dies kann direkt oder indirekt erfolgen. Direkt geschieht dies durch Messen der Netzfrequenz mittels eines geeigneten Sensors, bspw. anhand der Nulldurchgänge von Spannungs- oder Stromsensoren. Dies kann aber auch indirekt erfolgen, indem die Frequenz gemessen wird und darauf basierend bestimmt wird, ob eine änderung der Wirkleistung stattgefunden hat; hierbei kann die Wirkleistung eine Zwischengröße bilden, wie sie bspw. von einem Beobachter berechnet wird, oder sie kann durch andere Zustandsgrößen ersetzt sein, die keinen eigenen physikalischen Bezug mehr haben. Diese Art der Detektion bietet besondere Vorteile bei einem Absinken der Netzfrequenz, und zwar unterhalb eines unteren Grenzwerts. Wie bereits vorstehend beschrieben, ergibt sich hierbei eine erhöhte Wirk- leistungseinspeisung über den netzseitigen Wechselrichter, sodass erfindungsgemäß der Blindleistungssollwert dieses Wechselrichters reduziert wird und dafür entsprechend derjenige des an sich nicht direkt betroffenen generatorseiti- gen Wechselrichters entsprechend erhöht wird. Durch diese besondere Art der gegenseitigen Abstimmung der beiden Wechselrichter des Umrichters wird erreicht, dass die Scheinleistung am netzseitigen Wechselrichter trotz der erhöhten Wirkleistungseinspeisung nicht oder nur geringfügig an-

steigt, sodass die bisher in einem solchen Fall erforderliche Reduktion der Wirkleistung zur Vermeidung einer überlastung des netzseitigen Wechselrichters nicht mehr benötigt wird. Die Windenergieanlage kann damit bei einer sol- chen Netzstörung die dringend im Netz benötigte Wirkleistung in unverminderter Höhe weiterhin bereitstellen. Entsprechendes gilt für den entgegengesetzten Fall einer zu hohen Netzfrequenz beim überschreiten eines oberen Grenzwerts .

Die Erfindung erreicht damit eine bessere Ausnutzung der Komponenten der Windenergieanlage, insbesondere der Wechselrichter des Umrichters. Die vorhandenen Reserven der Windenergieanlage, insbesondere hinsichtlich der Schein- leistung des generatorseitigen Wechselrichters, werden besser genutzt.

Damit wird erreicht, dass der gesamt abgegebene Blindstrom beider Wechselrichter in der Summe unverändert bleibt, aber die Blindstromabgabe an dem höher belasteten Wechselrichter reduziert und am weniger belasteten Wechselrichter erhöht wird, sodass im elektrischen Netz insgesamt keine negative Veränderung bemerkt wird. Die Umrichterregelung verringert so die Spitzenbelastung an den einzelnen Wechselrichtern und den ihnen zugeordneten Leistungssträngen. Insbesondere kann die Umrichterregelung dabei die Auslegungsgrenzen der Wechselrichter und der zugeordneten Leistungsstränge berücksichtigen und die Strombelastung bezogen auf die Auslastung relativ zur Auslegungsgrenze in den jeweiligen Wechselrichtern oder den ihnen zugeordneten Leistungssträngen soweit wie möglich angleichen. Dieses hat den Vorteil, dass beide Leistungsstränge dieselbe anteilige Reserve haben und eine einseitig übermäßige Belastung bei kurzzeiti-

ger hoher oder übermäßiger Belastung, z. B. durch Kurzschlüsse in der Nähe der Windenergieanlage, vermieden werden kann.

Unter den Wechselrichtern zugeordneten Leistungssträngen werden in diesem Zusammenhang die elektrischen Komponenten verstanden, die vom Wechselrichter aus elektrisch gesehen zwischen dem Wechselrichter und dem elektrischen Netz liegen. Also für den netzseitigen Wechselrichter je nach Aus- führung beispielsweise die Netzdrossel, der Netzfilter, die umrichterseitigen Turmkabel und die umrichterseitige Transformatorwicklung. Für den generatorseitigen Wechselrichters sind dies je nach Ausführung beispielsweise die Verbindungskabel zum Generatorrotor einschließlich der Rotorturm- kabel, der Generatorrotor, der Generatorstator, die stator- seitigen Turmkabel und, je nach Transformatorausführung, die generatorseitige Transformatorwicklung. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer Asymmetrie derart, dass ein überschreiten des Grenzwerts nur in einer oder in zwei, aber nicht in allen Phasen auftritt, die Sollwerte für die Blindleistung des anderen Wechselrichters derart verändert werden, dass die Asymmetrie verringert wird. Dies impliziert, dass auch der andere Wechselrichter dann asymmetrisch angesteuert wird. Damit kann der Asymmetrie entgegengewirkt und eine Beschädigung der Windenergieanlage verhindert werden.

Vorzugsweise wird die gegenläufige Sollwertänderung der Blindleistung so bemessen, dass die Scheinleistung des netzseitigen Wechselrichters konstant bleibt. Damit wird eine maximale Ausnutzung des netzseitigen Wechselrichters erreicht, und gleichzeitig eine optimale Netzstützung erreicht. Unter konstant wird hierbei verstanden eine ände-

rung der Abgabe von maximal 10 % verstanden, vorzugsweise maximal 3 % . Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die gegenläufige änderung des Sollwerts der Blindleistung so bemessen wird, dass die von der Windenergieanlage abgegebe- ne Scheinleistung konstant bleibt. Dies bietet den Vorteil einer höheren Netzneutralität. Dies kann insbesondere bei räumlich ausgedehnten Windparks von Vorteil sein, wenn verhältnismäßig lange Kommunikationswege existieren und damit die weiter entfernt stehenden Anlagen in eine netzneutrale Betriebsart gebracht werden, und die räumlich näher stehenden und damit schneller regelbaren Anlagen für Veränderungen der Schein- bzw. Blindleistung herangezogen werden.

Vorzugsweise erfolgt eine Vorsteuerung derart, dass die än- derung des Blindleistungssollwerts für mindestens einen der beiden Wechselrichter abhängig von der Netzfrequenz erfolgt. Damit kann schnell auf änderungen an der Netzfrequenz reagiert werden, ohne dass es vorher zu unnötigen Annäherungen an Belastungsgrenzen der Komponenten, insbeson- dere der Scheinleistung bzw. der Stromgrenze des netzseiti- gen Wechselrichters, kommen muss. Eine solche Vorsteuerung kann auch in Bezug auf Zustandsgrößen der Windenergieanlagen durchgeführt werden, beispielsweise im Hinblick auf die Temperatur des Umrichters und seiner Wechselrichter und/oder des Generators. Droht der netzseitige Wechselrichter zu überhitzen, so wird erfindungsgemäß dessen Blindleistungssollwert verringert und derjenige des generator- seitigen Wechselrichters entsprechend erhöht. Bei einer thermischen überlastung des generatorseitigen Wechselrich- ters bzw. des Generators selbst wird dann entsprechend verfahren.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Windenergieanlage mit einem Windrotor, einem davon angetriebenen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit einem Umrichter umfassend einen generatorseitigen Wechselrichter, einen netzseitigen Wechselrichter und wenigstens einen Umrichterregler zum Einspeisen von elektrischen Energie in ein Netz, und eine mit dem Umrichterregler zusammenwirkende Steuereinrichtung, der zum Steuern oder Regeln der von wenigstens einem der Wechselrichter an den doppelt gespeisten Asynchrongenerator und/oder das elektrische Netz abgegebenen Strom ausgebildet ist, wobei erfindungsgemäß ein Messmodul zum Erfassen der abgegebenen Wirkleistung und ein änderungsbestimmungsmodul vorgesehen sind, welches zum Detektieren einer änderung der abgegebenen Wirkleistung und zum Bestimmen, ob die detek- tierte änderung einer vordefinierten Bedingung genügt, sowie zum ändern des Sollwerts der abgegebenen Blindleistung gegenläufig zu der änderung der Wirkleistung bei dem netzseitigen Wechselrichter und mitläufig bei dem generatorseitigen Wechselrichter, sofern die Bedingung erfüllt ist, ausgebildet ist.

Vorzugsweise wirkt das änderungsbestimmungsmodul mit einem Abgleichmodul zusammen, welches zur Kompensation der Scheinleistung gegenüber dem Netz ausgebildet ist.

Zweckmäßigerweise weist das Messmodul Sensoren zur Bestimmung der Spannung und des Wirkstroms auf. Damit können autark Werte für die abgegebene Wirkleistung bestimmt werden. Es soll aber nicht ausgeschlossen werden, dass derartige Werte aus der Steuereinrichtung und dort ohnehin vorhandenen Parametern ermittelt werden. Der Aufwand für zusätzliche Sensoren verringert sich dadurch.

Im übrigen ist der Umrichterregler vorzugsweise zur Ausführung des oben genannten Verfahrens ausgebildet. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Beschreibung verwiesen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Gesamtansicht einer Windenergieanlage ;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Umrichterregler;

Fig. 3 a, Leistungsdiagramme für das Betriebsverhalten b des Umrichters ohne das erfindungsgemäße Verfahren;

Fig. 4 a, Leistungsdiagramme für das Betriebsverhalten b des Umrichters mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 5 a, Blindleistungsdiagramme für das erfindungsge- b mäße Verfahren; und

Fig. 6 ein Kennliniendiagramm.

Der generelle Aufbau der Windenergieanlage wird anhand von Fig. 1 kurz erläutert. Der Windrotor 2 der Windenergieanlage 1 wird durch den Wind in Drehung versetzt. Der Windrotor 2 ist dabei mechanisch über ein Getriebe 3 mit dem Generator 4 verbunden und versetzt einen Rotor 6 des Generators 4 in Drehung. Ein Stator 5 des Generators ist über Leitungs-

kabel 13 im Turm, einen Transformator 8 und einen Trennschalter 9 an das elektrische Netz 10 angeschlossen. Der Rotor 6 des Generators 4 ist an einen Umrichter 7 angeschlossen, der wiederum ebenfalls über Leitungskabel 14 im Turm, den Transformator 8 und den Trennschalter 9 an das elektrische Netz 10 angeschlossen ist.

Der Transformator 8 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit drei Wicklungen ausgeführt, also mit jeweils separaten Wicklungen für den Leistungsstrang vom Stator 5 und von dem Umrichter 7. Ausführungen mit nur zwei oder einer anderen, höheren Anzahl von Wicklungen sind ebenfalls möglich.

Der Aufbau des Umrichters 7 und seine Regelung sind näher in Fig. 2 dargestellt. Als Hauptkomponenten umfasst der Umrichter 7 einen generatorseitigen Wechselrichter 71 und einen netzseitigen Wechselrichter 72, die über einen Gleichspannungszwischenkreis 73 verbunden sind. Der netzseitige Wechselrichter 72 ist über eine Drossel 12 an den Transformator 8 angeschlossen. Der generatorseitige Wechselrichter 71 ist an den Rotor 6 des Generators 4 angeschlossen. Im Gleichspannungszwischenkreis 73 ist ein Kondensator 82 als Energiespeicher angeordnet. Es sei angemerkt, dass der Gleichspannungszwischenkreis auch als Gleichstromzwischenkreis ausgeführt sein kann, wobei dann entsprechend eine Induktivität als Energiespeicher vorzusehen ist.

Zur Steuerung des Umrichters 7 ist ein Umrichterregler 20 vorgesehen. Dieser umfasst als Hauptkomponenten Wechselrichterregler 21, 22, die mittels Steuerleitungen 41 bzw. 42 den jeweils ihnen zugeordneten Wechselrichter 71, 72 steuern.

Der Umrichterregler 20 ist dazu ausgebildet, je nach Drehzahl den Generator 4 in untersynchroner, synchroner oder übersynchroner Betriebsweise lastabhängig zu regeln. Bei niedriger Drehzahl erfolgt der Betrieb im untersynchronen Bereich, wobei dann Leistung über den Umrichter 7 in den Rotor 6 fließt. Bei einem Betrieb im Synchronpunkt fließt über den Umrichter 7 kein Strom, sondern der gesamte erzeugte Strom wird allein vom Stator 5 in den Transformator 8 gespeist. Bei hoher Drehzahl erfolgt ein Betrieb im übersynchronen Bereich, bei dem die vom Generator 4 erzeugte Leistung sowohl über den Stator 5 wie auch über den Rotor 6 und den Umrichter 7 abgegeben wird. üblicherweise ist die Auslegung hierbei so, dass im übersynchronen Betrieb 60 bis 90 % der vom Generator 4 erzeugten elektrischen Leistung über den Stator und dementsprechend 10 bis 40 % über den Rotor 6 und den Umrichter 7 abgegeben werden.

Die jeweiligen elektrischen Größen des Umrichters 7 mit seinen Wechselrichtern 71, 72 und der Windenergieanlage insgesamt, insbesondere die anliegenden Spannungen und fließenden Wirk- sowie Windströme und die Zwischenkreis- spannung, werden mittels Sensoren 31, 32, 33, 34, 35 gemessen und einem Messmodul 23 des Umrichterreglers 20 zuge- führt. Es sei angemerkt, dass zusätzlich oder anstatt der Sensoren für Wirk- und Blindströme auch solche für Wirkbzw. Blindleistung vorgesehen sein können. Aus Aufwandsgründen ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch vorgesehen, dass die jeweiligen Ströme gemessen wer- den, und daraus mittels des Messmoduls 23 die entsprechenden Werte für die Leistung (Wirk- und Blindleistung aus Wirk- und Blindstrom) berechnet werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass zwischen diesen Größen auf an sich

bekannte Weise durch Multiplikation mit der Spannung hin- und hergerechnet werden kann. Das Messmodul 23 stellt an seinem Ausgang die Messwerte und ggf. durch Weiterverarbeitung gewonnene Werte, wie die Wirk- und Blindleistung, ei- nem änderungsbestimmungsmodul 24 und einem Reglermodul 27 zur Verfügung.

Das Messmodul 23 ist dazu ausgebildet, eine änderung des abgegebenen Wirkstroms bzw. der abgegebenen Wirkleistung zu erkennen und ein entsprechendes Ausgangssignal auszugeben wie bspw. bei einer Grenzwertüberschreitung am netzseitigen Wechselrichter 72. Es sei angemerkt, dass das Messmodul 23 als Element des Umrichterreglers 20 auch anzulegende Sollwerte berücksichtigen kann. So kann eine vom Messmodul 23 detektierte änderung bspw. auch dann vorliegen, wenn durch einen anzulegenden Blindstromsollwert bzw. Blindleistungssollwert die maximal erlaubte Stromgrenze des Wechselrichters überschritten wird. In diesem Fall würde das Messmodul 23 ein entsprechendes Signal an seinen Ausgang ausgeben.

Das Sollwertbestimmungsmodul 25 ermittelt die von der Windenergieanlage und den einzelnen Wechselrichtern 71, 22 abzugebenden Leistungs- und Stromsollwerte, wobei es die von einer Betriebssteuerung 29 der Windenergieanlage angelegten Vorgabewerte, bspw. für die Wirkleistung P τ und den Leistungsfaktor φ, und weitere zusätzliche Sensorwerte 28 der Windenergieanlage, wie z. B. Generatordrehzahl, Windgeschwindigkeit oder Komponententemperaturen des Generators 4, des Umrichters 7 oder der Stromleitungen berücksichtigt.

Das änderungsbestimmungsmodul 24 ist dazu ausgebildet, zu bestimmen, ob die detektierte änderung einer vordefinierten Bedingung genügt. Hierbei kann das änderungsbestimmungsmo-

dul 24 insbesondere Sollwerte für die Wechselrichter 71, 72 auf vorbestimmte änderungen prüfen, bevor diese über das Reglermodul 27 an die Wechselrichterregler 21, 22 angelegt werden.

Im Grundbetrieb vergleicht das Reglermodul 27 die jeweiligen Reglerabweichungen der Wechselrichter 71, 72 mit den Sollwerten und gibt diese an die Wechselrichterregler 21, 22 weiter, sofern das änderungsbestimmungsmodul 24 keine änderung erkannt hat. Sofern das änderungsbestimmungsmodul 24 aber eine änderung erkennt, bspw. durch Erfüllen einer vordefinierten Bedingung, übergibt es entsprechende Werte an ein Abgleichmodul 40, welches mit den beiden Wechselrichterreglern 21, 22 verbunden ist und mit diesen zur Kor- rektur der anzulegenden Sollwerte zusammenwirkt. Bei der vordefinierten Bedingung kann es sich um verschiedene Parameter der Windenergieanlage und ihrer Komponenten, insbesondere der Wechselrichter handeln. So kann die vorbestimmte Bedingung das überschreiten einer zulässigen Grenze be- züglich hoher Drehzahl sowie hoher Spannung, oder eine Veränderung der Netzfrequenz sein.

Die Wechselrichterregler 21, 22 steuern dann die Schalter der jeweiligen Wechselrichter 71, 72 entsprechend den ange- legten Sollwerten, die bei Eintritt der vordefinierten Bedingung durch das änderungsbestimmungsmodul 24 ggf. verändert wurden, so dass die entsprechenden Wirk- und/oder Blindströme bzw. -leistungen abgegeben werden.

Weiter sind in Fig. 2 Temperaturfühler 91, 92 dargestellt, welche an den Umrichterregler 20 angeschlossen sind. Dabei sind im Leistungsstrang des generatorseitigen Wechselrichters 71 Temperaturfühler 91 an den Komponenten 4, 8, 13

vorgesehen, die gemessene Temperaturwerte an den Umrichterregler 20 weitergeben. Ebenso sind im Leistungsstrang des netzseitigen Wechselrichters 72 Temperaturfühler 92 an den Komponenten 8, 12, 14 vorgesehen. überschreitet ein Tempe- raturwert einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert, so reduziert die Umrichterregelung 20 die Stromabgabe an dem betroffenen Wechselrichter 71, 72 und erhöht die Stromabgabe um den gleichen Wert am anderen Wechselrichter 71, 72. Bevorzugt wird dieser Wechsel bei der Blindstromabgabe durch- geführt.

Dies wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Es wird insbesondere Bezug auf die Figuren 3 bis 7 genommen.

Zum besseren Verständnis sei zuerst das Verfahren erläutert, wie es herkömmlicherweise durchgeführt wird. In Fig. 3a und b sind dargestellt der Betrieb der Windenergieanlage bei voller Last (Nennleistung) . Bei dieser Leistung sind Windenergieanlagen mit doppelt gespeisten Asynchronmaschinen 4 so bemessen, dass sich die Aufteilung der Wirkleistung auf den Rotor 6 und den Stator 5 aus dem Verhältnis von Synchrondrehzahl N sync und Nenndrehzahl N rat bzw. aus dem Schlupf der Maschine ergibt. Hierbei ergibt sich die Wirk- leistung des Stators 5 aus dem Verhältnis von Synchrondrehzahl zu Nenndrehzahl multipliziert mit der Gesamtwirkleistung

Stator *" synch ' rat wea

und dementsprechend die Rotorwirkleistung aus der Differenz der Gesamtwirkleistung abzüglich der Statorwirkleistung

P rotor = P T — P Stator '

Im realen Betrieb kommt es zu Schwankungen der Parameter des Netzes. Dies können zum einen Schwankungen in der Netz- Spannung oder der Netzfrequenz sein. Es wird angestrebt, dass auch bei Schwankungen der genannten Netzparameter die Abgabe von Wirk- und Blindleistung gegenüber dem Netz möglichst unverändert sein soll. Dies ist in Fig. 3a durch die beiden horizontalen Linien dargestellt, welche mit P τ und Q τ für die gesamte Wirk- und Blindleistung der WEA dargestellt sind.

Aufgrund der Charakteristik der doppelt gespeisten Asynchronmaschine 4 verschiebt sich ausgehend von der Netznenn- frequenz, die hier mit 50 Hz angenommen sei, die Wirkleistungsaufteilung zwischen Stator 5 und Rotor 6 des Generators 4. So ergibt sich bei Frequenzen unterhalb von 50 Hz ein größerer Wirkleistungsanteil Pr otor des Rotors, so dass entsprechend die Wicklung des Ro- tors 6, der Umrichter 7 sowie die mit dem Umrichter verbundene Wicklung des Transformators 8 stärker belastet werden. Bei Frequenzen oberhalb der Nennfrequenz ergibt sich ein größerer Wirkleistungsanteil des Stators 5, so dass der Stator 5 des Generators 4 selbst, der generatorseitige Wechselrichter 71 sowie die Wicklung des Transformators 8, die am Stator 5 angeschlossen ist, und ggf. auch der Statorleistungsschalter (nicht dargestellt) durch höhere Ströme stärker belastet werden. Bei dem in den Figuren dargestellten Frequenzband von 47 Rz bis 52 Hz ergibt sich damit im ungünstigsten Fall der Unterfrequenz eine Höherbelastung des Rotors 6 von 130 % und im Fall der überfrequenz eine Höherbelastung des Stators von 104 % der jeweiligen Auslegungswerte bei Nennbetrieb, wie oben angegeben.

Berücksichtigt man weiter, dass die Windenergieanlage bei Nennleistung nicht nur die Nennwirkleistung, sondern auch die Nennblindleistung abgeben muss, so ergibt sich für den Rotor 6 und den Stator 5 die jeweils gestrichelt eingezeichnete Scheinleistung. Man erkennt, dass im Fall der Unterfrequenz für den Rotor 6 bereits bei einer Frequenz von 49 Hz die zulässige Belastungsgrenze erreicht und bei noch niedrigerer Frequenz überschritten würde; entsprechend wür- de im Fall der überfrequenz für den Stator 5 die Grenze bei einer Frequenz von 50,5 Hz erreicht und darüber würde sie überschritten .

Um eine überlastung und die damit einhergehende Gefahr ei- ner Beschädigung zu vermeiden, müssen die jeweiligen Komponenten des Rotor- und Statorzweigs entweder entsprechend höher ausgelegt werden, oder es muss die abgegebene Wirkleistung bei größeren Abweichungen der Netzfrequenz reduziert werden. Letzteres ist der herkömmlicherweise einge- schlagene Weg. Dieser ist in Fig. 3b dargestellt. Es erfolgt eine Reduzierung der Wirkleistung abhängig von der Frequenz. Bei einer Unterfrequenz bedeutet dies, dass die vom Rotor 6 abgegebene Leistung bei Unterfrequenz nicht mehr linear ansteigt, sondern auf einer Frequenz von 49,5 Hz beschränkt wird und konstant bleibt. Da die abgegebene Blindleistung unverändert bleibt, bleibt damit auch die Scheinleistung des Rotors 6 konstant und verharrt damit an der zulässigen Grenze, ohne diese zu überschreiten. Der Rotor 6 und der Umrichter 7 werden damit wirkungsvoll vor ü- berlastung geschützt.

Allerdings kann diese Begrenzung im Rotorkreis wegen der elektrischen Verkoppelung bei der doppelt gespeisten Asyn-

chronmaschine 4 nicht ohne Auswirkung auf den Statorkreis bleiben. Dies ist im oberen Bereich von Fig. 3b dargestellt. Man erkennt, dass wegen der Begrenzung der Wirkleistung des Rotors 6 die über die Synchrondrehzahl ver- knüpfte Wirkleistung des Stators 5 ebenfalls absinkt, und zwar verhältnismäßig stark. Entsprechend sinkt wegen der Konstanz der Blindleistung auch die Scheinleistung des Stators 5 ab. Die insgesamt von der Windenergieanlage abgegebene Wirkleistung P τ verringert sich daher im Fall der Un- terfrequenz beträchtlich, und zwar auf Werte bis zu nur 77 % der Leistung bei Nennfrequenz von 50 Hz. Eine entsprechende Reduktion der Wirkleistung am Stator 5 wird für den Fall der überfrequenz vorgenommen, mit entsprechender Folge für die vom Rotorkreis abgegebene Wirkleistung. Auch hier ergibt sich eine Verringerung der insgesamt von der Windenergieanlage abgegebenen Wirkleistung, jedoch nur absinkend auf Werte von 96 % der Wirkleistung bei Nennfrequenz 50 Hz. Insgesamt erkennt man, dass zum Schutz vor überlastung vor allem im Niederfrequenzbereich bisher eine erheb- liehe Reduktion der von der Windenergieanlage abgegebenen Wirkleistung in Kauf genommen werden musste. Damit ergeben sich beträchtliche Einbußen für den Betrieb und die wirtschaftliche Nutzung der Windenergieanlage.

Die Erfindung löst dieses Problem, indem die Steuerung des Umrichters 7 so ausgelegt wird, dass die Sollwerte der abzugebenden Blindleistung gegenläufig verändert werden. Es wird nunmehr Bezug genommen auf Fig. 4.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass im Fall einer Unterfrequenz das Netz dringend der Zufuhr von Wirkleistung zur Stabilisierung bedarf. Die Wirkleistungseinspeisung durch die Windenergieanlage soll daher möglichst nicht re-

duziert werden. Die eingespeiste Blindleistung zu reduzieren, ist in der Regel ebenfalls nicht erwünscht, da sie stabilisierend wirkt. Gleichzeitig darf die Belastungsgrenze insbesondere im Rotorkreis nicht überschritten werden. Die Erfindung vereinigt diese gegensätzlich erscheinenden Ziele dadurch, dass sie die Sollwertvorgabe für die vom Rotorkreis einzuspeisende Blindleistung senkt (gegenläufige Anpassung) . Damit wird erreicht, dass die Wirkleistungseinspeisung nicht verringert zu werden braucht, sondern in der an sich geforderten Weise linear mit abfallender Frequenz ansteigen kann. Durch die Absenkung der Sollwertvorgabe für die einzuspeisende Blindleistung erreicht die Erfindung, dass die insgesamt vom Rotorkreis eingespeiste Scheinleistung die zulässige Grenze einhält und diese nicht über- schreitet. Durch diese gegenläufige Veränderung der Sollwerte für Wirk- und Blindleistung am Rotor werden damit die Ziele erreicht, ausreichend Wirkleistung zur Stützung des Netzes einzuspeisen und andererseits eine überlastung der Komponenten im Kreis des Rotors zu vermeiden. In einem zweiten Schritt sieht die Erfindung nun vor, dass zum Ausgleich der abgesenkten Sollwerte für die Blindleistung im Rotorkreis diejenigen im Statorkreis erhöht werden (mitläufige Anpassung) . Die Erfindung macht sich hierbei zu Nutze, dass wegen der notwendigerweise bei Unterfrequenz abfallen- den, vom Stator 5 eingespeisten Wirkleistung ausreichend Stromreserve zur Verfügung steht, so dass insgesamt die Scheinleistung im zulässigen Bereich bleibt (siehe linke Hälfte von Fig. Aa: gestrichelte Linie S stator verbleibt unterhalb der schraffierten Grenzmarkierung) . Die Erfindung nutzt also die ansonsten brachliegende Stromkapazität am Stator 5 aus, um die durch die Absenkung der Blindleistungssollwerte am Rotor 6 aufgebaute „Blindleistungsschuld" zu kompensieren. Sie erreicht damit eine optimale Ausnut-

zung der Komponenten, da die insgesamt von der Windenergieanlage abgegebene Wirk- und Blindleistung P τ und Q τ bei Unterfrequenz konstant bleiben.

Entsprechendes gilt an sich für den Fall der überfrequenz. Allerdings kann hier eine geringfügige überlastung im Statorkreis auftreten. Sie liegt bei 52 Hz nur in der Größenordnung von etwa 1 %, liegt also häufig noch innerhalb der Bauteiletoleranzen und braucht daher nicht gesondert be- rücksichtigt zu werden. Es gelten dann die Kurven, wie sie in Fig. 4a dargestellt sind.

Soll die Gefahr einer möglichen überlastung aber auch für den Fall der überfrequenz sicher ausgeschlossen werden, so gilt das in Fig. 4b dargestellte Diagramm. Hierbei wird im Fall der überfrequenz die vom Stator 5 abgegebene Wirkleistung bei einer Frequenz von mehr als 51 Hz nicht mehr so stark gesteigert wie bei tieferen Frequenzen (siehe Knick in der P stato r-Kennlinie) . Damit wird erreicht, dass die Scheinleistung im Statorkreis den Grenzwert nicht überschreitet. Die Erfindung macht sich hierbei zu Nutze, dass im Fall höherer Frequenz der Netzzustand an sich so ist, dass ausreichend Wirkleistung vorhanden ist (häufig gibt es sogar ein überangebot) , so dass eine Reduktion der Wirk- leistungseinspeisung zumindest toleriert werden kann, wenn nicht sogar gewünscht ist.

Die Erfindung erreicht damit ohne Höherauslegung der stromführenden Komponenten die Möglichkeit, auch bei Unter- schreiten von vormals kritischen Frequenzen (49,5 Hz als untere Grenzfrequenz und 50,5 Hz als obere Grenzfrequenz) die Einspeisung von Wirk- und Blindleistung aufrecht zu er-

halten, und damit stützend auf das Netz einzuwirken und zusätzlich den Ertrag der Windenergieanlage zu maximieren .

Die Erfindung erreicht dies im Wesentlichen durch eine Ver- Schiebung der Sollwerte für die Blindleistung. In Fig. 5a ist der erfindungsgemäße optimale Blindleistungswert im Nennbetriebspunkt zur Frequenzkompensation dargestellt. Ausgehend von dem normalerweise gewährten Wert von 1=0 ist zu erkennen, dass das Verhältnis aus der optimalen Blind- leistung gemäß der Erfindung zur Nennblindleistung über die Frequenz ansteigt. Der sich dabei ergebende Wert für den optimalen Sollwert für die Blindleistung des netzseitigen Wechselrichters 72 ist in Fig. b als Kurve Q p t dargestellt im Vergleich zu dem Betrieb mit Nennblindleistung Q Nrat -

In Fig. 6 ist eine Kurvenschar dargestellt, welche den Anteil der vom netzseitigen Wechselrichter 72 abgegebenen Blindleistung Q 72 im Verhältnis zu der insgesamt abgegebenen Blindleistung Q τ darstellt. Während herkömmlicherweise für Windenergieanlagen nur eine einzige dieser Kurven implementiert ist („Blindleistungsstütze"), so sieht die Erfindung in Abhängigkeit von dem Zustand des Netzes, nämlich der Abweichung der Frequenz von der Netzfrequenz, jeweils eine andere Kennlinie vor. Es ergibt sich damit eine Kenn- linienschar, wie sie beispielhaft für drei Frequenzen

F U <F Q <F H dargestellt ist. Mit dieser erfindungsgemäßen frequenzabhängigen Blindleistungsstütze erreicht die Erfindung eine wesentlich verbesserte Stützung des Netzes bei unveränderten Komponenten der Windenergieanlage.