DE20020232U1 - Windkraftanlage mit Hilfsenergieeinrichtung zur Verstellung von Rotorblättern in einem Fehlerfall - Google Patents

Windkraftanlage mit Hilfsenergieeinrichtung zur Verstellung von Rotorblättern in einem Fehlerfall

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Description

200021631
Beschreibung
Windkraftanlage mit Hilfsenergieeinrichtung zur Verstellung
von Rotorblättern in einem Fehlerfall
5
Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage mit Mitteln
zur Verstellung der Rotorblätter um ihre Längsachse, die an einer Nabe einer Rotorwelle angeordnet sind.
Moderne Windkraftanlagen in einem Leistungsbereich von ca. kW mit bevorzugt horizontal ausgeführter Rotorwelle besitzen
verstellbare Rotorblätter. Dadurch lässt sich die Angriffsfläche der Windgeschwindigkeit anpassen und eine annähernd konstante
Leistung der Windkraftanlage einstellen. Windkraftanlagen dieser Art können somit noch bei vergleichsweise hohen
Windgeschwindigkeiten betrieben werden. Bei Erreichen einer
Grenzwindgeschwindigkeit, für die eine Windkraftanlage konstruktiv
ausgelegt ist, ist es notwendig, die Leistung zu begrenzen. Auf diese Weise können Schäden an den Windkraftanlagen durch mechanische Überbelastungen vermieden werden.
Eine andere Möglichkeit zur mechanischen Belastungsbegrenzung ist bei Windkraftanlagen mit nichtverstellbaren Rotorblättern gegeben. Hier erfolgt die Leistungsbegrenzung durch die Aus-
nutzung des sog. „Stall-Effektes". Dabei erfolgt ab einer konstruktiv festgelegten Grenzwindgeschwindigkeit ein Strömungsabriss an den speziell dazu ausgebildeten Rotorblattprofilen. Windkraftanlagen dieser konstruktiv einfacheren Art haben gegenüber Windkraftanlagen der eingangs beschriebenen Art einen geringeren Wirkungsgrad.
Als weiterer mechanischer Belastungsfall einer Windkraftanlage ist der mögliche Wegfall der elektrischen Last durch den
Hauptgenerator. Ursachen dafür können beispielsweise der Ausfall des Stromnetzes, des Umrichters oder auch des Hauptgenerators selbst sein. Dadurch kann es zu einem sehr schnellen
Hochlaufen der Rotorwelle durch das nun fehlende Gegenmoment
200021631 ,«.... . ..
des Hauptgenerators kommen. Eine mechanische Überbelastung der Windkraftanlage durch unzulässig hohe Drehzahlen wäre die Folge. Zur Vermeidung eines solchen Belastungsfalles werden üblicherweise die Rotorblätter oder auch nur eines in eine sog. „Fahnenstellung" verdreht. Dabei wird entweder die Vorderkante oder die Hinterkante des Rotorblattprofils in den Wind verdreht, so dass kein antreibender Auftrieb mehr an dem Rotorblattprofil entstehen kann.
Die Einrichtung zur Verstellung der Rotorblätter in die Fahnenstellung ist im technischen Sinne als sicher auszuführen. Es ist folglich sicherzustellen, dass z.B. auch bei Netzausfall eine energetische Versorgung für die Verstellantriebe der Rotorblätter gewährleistet ist. Aus diesem Grund ist es bekannt, eine unabhängige Hilfsenergieeinrichtung in Form eines Akkumulators zu verwenden, der im Fehlerfall direkt mit den Gleichstrom-Stellmotoren der Stellantriebe verbunden wird. Bei Erreichen der Fahnenstellung werden die Stellantriebe über Endlagenschalter von dem Akkumulator getrennt.
Nachteilig daran ist, dass für die seltenen Fehlerfälle ein schwerer und wartungsbedürftiger Akkumulator mit einem Ladegerät als unabhängige Energieversorgung mit den entsprechenden Kosten für die Beschaffung und Wartung bereitgestellt werden muss.
Weiterhin nachteilig ist die notwendige Verwendung von verschleißbehafteten und wartungsbedürftigen Gleichstrommotoren.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage anzugeben, die im Fehlerfall zur Verstellung der Rotorblätter in eine sichere Fahnenstellung ohne statischen elektrischen Energiespeicher, insb. ohne Akkumulator, auskommt .
200021631
Die Aufgabe wird gelöst mit der in den Ansprüchen angegebenen Windkraftanlage mit den erfindungsgemäßen Mitteln zur Verstellung der Rotorblätter. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Mittel sind in den Unteransprüchen enthalten. 5
Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
FIG 1 einen beispielhaften Aufbau einer Windkraftanlage mit erfindungsgemäßen Mitteln zur Verstellung von
Rotorblättern,
FIG 2 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Mittel gemäß der beispielhaften Windkraftanlage in FIG 1, 15
FIG 3 einen weiteren beispielhaften Aufbau einer Windkraftanlage mit erfindungsgemäßen Mitteln zur Verstellung von Rotorblättern,
FIG 4 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Mittel
gemäß der beispielhaften Windkraftanlage in FIG 3,
FIG 5 einen beispielhaften Aufbau eines Hilfsgenerators als Teil der erfindungsgemäßes Mittel zur Verstellung von Rotorblättern gemäß FIG 1, und
FIG 6 einen weiteren beispielhaften Aufbau eines Hilfsgenerators als Teil der erfindungsgemäßes Mittel zur Verstellung von Rotorblättern gemäß FIG 3
Am Beispiel der FIG 1 wird nachfolgend der beispielhafte Aufbau einer Windkraftanlage mit den erfindungsgemäßen Mitteln zur Verstellung von Rotorblättern RB erläutert. Dabei ist im linken Teil der FIG 1 eine Nabe N mit zwei beispielhaft daran angebrachten verstellbaren Rotorblätter RB ersichtlich. Die Rotorblätter RB können dabei in den dargestellten Drehrichtungen DR um die Längsachse LA verstellt werden. Die eingangs
200021631 ·\.\ ,;
beschriebene Fahnenstellung FS ist gestrichelt eingezeichnet. Weiterhin sind im Beispiel der FIG 1 Lager L an der Nabe N zur verstellbaren Aufnahme der Rotorblätter RB zu sehen. Innerhalb der Nabe N sind die Rotorblätter RB beispielhaft mit je einem Stellantrieb SA zur Verstellung der Rotorblätter RB mechanisch angebunden. Der Stellantrieb SA enthält dabei beispielhaft einen Stellmotor SA. Alternativ können für ein Rotorblatt RB auch mehrere Stellantriebe SA verwendet werden. Es kann ein Stellantrieb SA auch mehrere Stellmotoren SM enthalten.
Ferner ist die Nabe. N mit einer Rotorwelle RW verbunden, die im Beispiel der FIG 1 als horizontale Hohlwelle ausgeführt ist. Diese wird dabei durch zwei Lagerböcke LB drehbar fixiert, die in fester Verbindung mit einem Tragsystem TRl stehen. Das Tragsystem TRl stellt dabei eine starre mechanische Verbindung mit dem Gondelkorpus dar, der drehbar am Mast der Windkraftanlage befestigt ist. Weiterhin ist die Rotorwelle RW mit einem Eingang des Hauptgetriebes G, mit einem Satz von Schleifringen SR sowie an deren Wellenende WE mit einem Hilfsgenerators HG verbunden. Zudem ist an dem entsprechenden übersetzten Ausgang des Hauptgetriebes G über eine Generatorwelle GW ein Hauptgenerator GEN angeschlossen. Zur Veranschaulichung sind dazu im Beispiel der FIG 1 alle mit der Rotorwelle RW verbundenen rotierenden Teile bzw. Massen RM der Windkraftanlage gestrichelt umrandet dargestellt.
Die beiden Stellmotoren SM sind über Motorleitungen ML mit einer Umschalteinrichtung US verschaltet. Diese ist weiterhin mit zwei Umrichtern WR und mittels zweier elektrischer Verbindungsleitungen HL,SL mit dem Hilfsgenerator HG und mit einer Störfallerkennungseinrichtung SI verbunden. Der Hilfsgenerator HG beinhaltet ferner ein gestrichelt eingezeichnetes Hilfsgetriebe OG, dessen Gehäuse an dem Tragsystem TR 1 befestigt ist. Das Hilfsgetriebe OG erhöht dabei die interne Umdrehungszahl des Hilfsgenerators HG insbesondere bei Windkraftanlagen mit langsam drehenden Rotorwellen von ca. 20 bis 50 U/min. Weiterhin ist neben den beiden Verbindungsleitungen HL,SL auch
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eine weitere Verbindungsleitung NL in der Rotorwelle RW verlegt. Diese Verbindungsleitung NL verbindet dabei die beiden Wechselrichter WR mit einer Netzeinspeisung NE zur Energieversorgung der Wechselrichter WR. Ferner sind zur elektrischen Auskopplung der in der Hauptwelle verlegten beiden Verbindungsleitungen NL,SL diese über Schleifringe SR geführt.
Im Normalbetrieb der Windkraftanlage werden die beiden Wechselrichter WR elektrisch aus der Netzeinspeisung NE z.B. einem konventionellem 50Hz/400V-Drehstromnetz versorgt. Dabei schaltet im fehlerfreien Fall die Störfallerkennungseinrichtung SI die Umschalteinrichtung US so, dass die Wechselrichter WR die Stellmotoren SM über die Motorleitungen ML speisen können. Die Wechselrichter WR erhalten zudem Sollwerte zur gesteuerten bzw. geregelten Verstellung der Rotorblätter RB zur optimalen Einstellung der Windkraftanlage. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die dazugehörigen Verbindungsleitungen z.B. zu einem Steuerrechner nicht eingezeichnet.
Gemäß der Erfindung schaltet die Störfallerkennungseinrichtung SI die Umschalteinrichtung US in einem Fehlerfall FF um. Dadurch wird erfindungsgemäß die Verbindungsleitung HL des Hilfsgenerator HG auf die Motorleitungen ML geschaltet, so dass dieser die Stellmotoren SM mit der aus der kinetischen Energie der rotierenden Massen RM umgewandelten elektrischen Energie speisen kann. Für einen Stellvorgang können dann die Stellmotoren SM der Stellantriebe SA die Rotorblätter RB der Windkraftanlage in eine sichere Fahnenstellung FS verdrehen,
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass als Energieversorgung im Fehlerfall FF lediglich ein kompakter und verschleißarmer Hilfsgenerator HG anstelle eines schweren und wartungsbedürftigen Akkumulators verwendet wird. Darüber hinaus kann auch das zugehörige Ladegerät entfallen.
Der Hilfsgenerator HG kann dabei vorteilhaft z.B. als permanenterregter bürstenloser 3-Phasen-Synchrongenerator HG ausge-
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führt werden. Dieser ist kompakt und nahezu verschleiß- und wartungsfrei. Im Normalbetrieb der Windkraftanlage, d.h. im Leerlauf, entnimmt dieser der Rotorwelle RW so gut wie keine mechanische Leistung.
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Damit können bei Verwendung des o.g. Hilfsgenerators HG z.B. vorteilhaft auch bürstenlose 400V/50Hz-Drehstrom-Asynchronmotoren SM als Stellmotoren SM zugelassen werden, ohne die technische Sicherheit der Mittel zur Verstellung der Rotorblätter zu beeinträchtigen. Diese sind gegenüber sonst gebräuchlichen Gleichstrommotoren SM äußerst kompakt, einfach im Aufbau, und somit verschleiß- und wartungsarm.
Alternativ ist es möglich, entsprechende Paarungen aus Hilfsgenerator HG und Stellmotoren SM zu verwenden. So ist es möglich, im Fehlerfall FF einen Gleichstromgenerator HG mit Gleichstrommotoren SM, oder einen Wechselstromgenerator HG mit Wechselstrom- oder Induktionsmotoren SM zu verbinden.
FIG 2 zeigt das entsprechende Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Mittel gemäß der beispielhaften Windkraftanlage in FIG 1. Dabei sind in der Mitte des Bildes beispielhaft drei 3-Phasen-Umrichter WR zur Speisung von drei Stellantrieben SA zu sehen. Die Umrichter WR sind weiterhin über eine 3-phasige Verbindungsleitung NL, die über einen Satz von Schleifringen SR geführt ist, mit der Netzeinspeisung NE verbunden. Im Normalbetrieb ist bei der Umschalteinrichtung US die Schalterstellung SP2 eingestellt. Die Umrichter WR sind somit ausgangseitig über die Motorleitungen ML mit den Stellmotoren SM verbunden. Ferner erhält je ein Umrichter WR einen Winkelsollwert WS1-3 zur individuellen Steuerung der Stellmotoren SM. In einem Fehlerfall FF schaltet eine von der Störfallerkennungseinrichtung SI zur Umschalteinrichtung US geführte Verbindungsleitung SL die Umschalteinrichtung US in die Schalterstellung SPl um. Damit wird dann die vom Hilfsgenerators HG zugeführte Verbindungsleitung HL parallel auf die Motorleitungen ML zur elektrischen Versorgung der Stellmotoren SM geschaltet. Die
200021631 ***::": ·: ·&iacgr;
Verbindungsleitung SL, die im Beispiel der FIG 2 über einen Schleifring geführt ist, kann als ein weiteres Beispiel auch durch eine Funkverbindung o.a. ersetzt werden.
FIG 5 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Hilfsgenerators HG als einen Teil der erfindungsgemäßen Mittel zur Verstellung von Rotorblättern RB gemäß FIG 1. Wie eingangs beschrieben, ist es vorteilhaft, einen permanenterregten Synchrongenerator als Hilfsgenerators HG zu verwenden. In FIG 5 ist die beispielhafte Montage eines solchen an das Wellenende WE der Rotorwelle RW zu sehen. Die Montage kann dabei z.B. über einen am Wellenende WE aufgebrachten Flansch erfolgen. Der Ständer ST des Hilfsgenerators HG ist dadurch fest mit der Rotorwelle RW verbunden, so dass sich dieser bei Drehung des Rotors mitdreht. Weiterhin sind die Wickelköpfe WI des Ständers ST zu sehen, die mit den Verbindungsleitungen HL verbunden sind. Diese können dabei vorteilhaft durch die Aussparung AS in der Rotorwelle RW zur Nabe N geführt werden, ohne dass ein Satz von Schleifringen R zur elektrischen Übertragung verwendet werden muss. Zudem ist ein Wellenfortsatz WF als axiale Verlängerung der Rotorwelle RW zu sehen, der sich mit der gleichen Umdrehungszahl wie diese dreht.
Dieser Wellenfortsatz WF ist gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung mit dem Eingang eines beispielhaften Hilfsgetriebes OG verbunden, dessen Gehäuse GOG zur Drehmomentenstütze fest mit dem Tragsystem TRl verbunden ist. Der hochübersetzte Ausgang des Hilfsgetriebes OG treibt dann eine Läuferwelle LF des Hilfsgenerators HG an. Am Umfang der Läuferwelle sind dabei Permanentmagnete PM zur Induktion in den Wickelköpfen WI angebracht.
Dadurch kann vorteilhaft bei Windkraftanlagen mit niedrigen Umdrehungszahlen von ca. 20 bis 50 U/min eine generatortypisehe Umdrehungszahl erreicht werden.
FIG 3 zeigt einen weiteren beispielhaften Aufbau einer Windkraftanlage mit erfindungsgemäßen Mitteln zur Verstellung von Rotorblättern RB. Im Unterschied zur Windkraftanlage im Beispiel der FIG 1 wird das Wellenende des Rotorwelle RW einem .Hauptgetriebe Gl zugeführt, das zum Beispiel als Planetenoder Stirnradgetriebe ausgeführt sein kann. Am hochübersetzten getriebeseitigen Ausgang ist eine Generatorwelle Gl angeschlossen, die einen Hauptgenerator GENl antreibt. Das Übersetzungsverhältnis des Hauptgetriebes Gl ist dabei so gewählt, dass eine ausreichend hohe Umdrehungszahl für den Hauptgenerator GENl erzielt werden kann. Das Übersetzungsverhältnis liegt üblicherweise bei ca. 50, so dass in Abhängigkeit der Umdrehungszahl der Rotorwelle RW eine Umdrehungszahl des Hauptgenerators GENl von ca. 500 - 1000 U/min erreicht wird. In der rechten Hälfte der FIG 3 ist dargestellt, wie eine Hilfsgenerator HG an das Wellenende WE der Generatorwelle GWl angebunden ist. Dabei ist erfindungsgemäß die Läuferwelle LFl an ein Tragsystem TR2 angebunden. In FIG 6 wird dies noch im Detail dargestellt. Ein weiterer Unterschied der Ausführung von FIG zum Beispiel der FIG 1 besteht darin, dass durch die unterschiedlichen Umdrehungszahlen der Rotor- und Generatorwelle RW;GWl die Verbindungsleitungen HLl nicht mehr in der Rotorwelle RW verlegt werden können. Diese werden vorteilhaft über einen weiteren Satz von Schleifringen SR2 der Rotorwelle RW gesondert zugeführt.
Der Vorteil der Anordnung des Hilfsgenerators HGl an das Wellenende WE der Generatorwelle GWl liegt darin, dass die Generatorwelle GWl durch das dazwischen geschaltete Hauptgetriebe Gl eine wesentlich höhere Umdrehungszahl als die Rotorwelle RW aufweisen kann. Dies ermöglicht einen Verzicht auf das Hilfsgetriebe. Der Aufbau des Hilfsgenerators HGl vereinfacht sich gegenüber dem Aufbau des Hilfsgenerators HG im Beispiel der FIG 1. erheblich.
FIG 6 zeigt einen weiteren beispielhaften Aufbau eines Hilfsgenerators als ein Teil der erfindungsgemäßen Mittel zur Ver-
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stellung von Rotorblättern gemäß FIG 3. Der Unterschied zum Beispiel des Hilfsgenerators HG in FIG 5 liegt darin, dass die Läuferwelle LFl fest an ein Tragsystem TR2 befestigt wird.
Dadurch wird bei Drehung der Generatorwelle GWl eine Relativbewegung zwischen Ständer STl und Läuferwelle LFl und somit
eine Energieerzeugung ermöglicht. Dabei kann vorteilhaft über die Wahl der Polzahlen des Hilfsgenerators HGl sowie der
Stellmotoren SM eine Anpassung an die jeweilige vorliegende
Nenndrehzahl der Rotorwelle RW vorgenommen werden. Für eine
' beispielhafte Nenndrehzahl der Rotorwelle RW von 25 U/min und einem vorliegenden Übersetzungsverhältnisses des Hauptgetriebes HG von 40 ergibt sich eine Umdrehungszahl der Generatorwelle GWl von 1000 U/min. Ein beispielhafter dreipoliger Drehstrom-Synchrongenerator erzeugt bei dieser Umdrehungszahl ein Drehfeld mit einer Frequenz von 50Hz entsprechend einer Umdrehungszahl von 3000/min. An diesem Drehfeld können wiederum
Standardmotoren SM z.B. einpolige Drehstrom-Asynchronmotoren gespeist werden.
FIG 4 zeigt dazu das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Mittel gemäß der beispielhaften Windkraftanlage in FIG 3. Der Unterschied zum Prinzipschaltbild in FIG 2 besteht darin, dass die Verbindungsleitungen HLl nun über einen Satz von Schleifringen SR2 zur Umschalteinrichtung US geführt sind. Weiterhin ist das Hilfsgetriebe OG für den Hilfsgenerator HGl entfallen.

Claims (7)

1) Windkraftanlage mit Mitteln zur Verstellung der Rotorblätter (RB) um eine Längsachse (LA), die an einer Nabe (N) einer Rotorwelle (RW) angeordnet sind, welche aufweisen
a) mindestens einen Stellantrieb (SA) mit mindestens einem Stellmotor (SM) zur Verstellung zumindest eines Rotorblatts (RB),
b) mindestens einen Hilfsgenerator (HG) zur Auskopplung von elektrischer Energie aus der kinetischen Energie zumindest der Rotorwelle (RW),
c) eine Störfallerkennungseinrichtung (SI), welche bei Erfassung eines Fehlerfalles (FF) der Windkraftanlage aktiv wird, und
d) eine Umschalteinrichtung (US), welche bei Aktivierung der Störfallerkennungseinrichtung (SI) die elektrische Energie des Hilfsgenerators (HG) zumindest an einen Stellmotor (SM) zur Verstellung zumindest eines Rotorblatts (RB) in eine Fahnenstellung (FS) leitet.
2) Windkraftanlage nach Anspruch 1, wobei der Hilfsgenerator (HG) einen Ständer (ST) und einen Läufer (LF) aufweist, und
a) der Ständer (ST) an einem Wellenende (WE, WE1) der Rotor- bzw. Getriebewelle (RW; GW1) befestigt ist, und
b) der Läufer (LF) fest mit einem Tragsystem (TR1) verbunden ist.
3) Windkraftanlage nach Anspruch 1, wobei der Hilfsgenerator (HG) ein hochübersetzendes Hilfsgetriebe (OG) aufweist,
a) dessen Eingang (GE) mit einem axialen Wellenfortsatz (WF) der Rotor- bzw. Getriebewelle (RW; GW1) verbunden ist,
b) dessen Ausgang (GA) mit einem Läufer (LF) des Hilfsgenerators (HG) verbunden ist, und
c) dessen Getriebegehäuse (GOG) fest mit einem Tragsystem (TR2) verbunden ist.
4) Windkraftanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Hilfsgenerator (HG) und der mindestens eine Stellmotor (SM) bürstenlos ausgeführt sind.
5) Windkraftanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Hilfsgenerator (HG) als permanenterregter Drehstrom-Synchrongenerator und der mindestens eine Stellmotor (SM) als Drehstrom-Asynchronmotor ausgeführt ist.
6) Windkraftanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (US) mit der Störfallerkennungseinrichtung (SI) durch eine elektrische Verbindungsleitung (SL) verbunden ist, die zumindest über einen an der Rotor- bzw. Getriebewelle (RW; GW1) angebrachten elektrisch kontaktierenden Schleifring (SR, SR1) geführt ist.
7) Windkraftanlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Schalteinrichtung (US) mit der Störfallerkennungseinrichtung (SI) durch eine elektrische Verbindungsleitung (SL) verbunden ist, die zumindest über einen an der Rotor- bzw. Getriebewelle (RW; GW1) angebrachten elektrisch kontaktierenden Schleifring (SR, SR1) geführt ist.
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