WO2005091490A1 - Windkraftanlage - Google Patents

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Hermann Holfeld
Stephan Schaller
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    • Y02E10/76—Power conversion electric or electronic aspects

Definitions

  • the invention relates to the control of a wind turbine, in particular a double-fed asynchronous machine
  • a control unit is assigned to each converter.
  • the respective control unit determines the switching states of the assigned converter to be implemented and transmits these switching states to the control circuits of the converter.
  • the control circuits are usually integrated in the converter.
  • the switching states of the converter's rotor winding-side converter determine the currents flowing in the rotor windings.
  • the line-side converter must regulate the DC voltage to a constant value.
  • the line-side converter can also regulate the DC voltage for several windmills. In this case, a DC voltage network is spanned between several windmills. In any case, the rotor winding-side converter is always assigned to exactly one windmill.
  • the described invention relates in particular to the regulation of the converter on the rotor winding side.
  • This converter serves as an actuator for generating a current system in the rotor windings.
  • This electricity system determines the active and reactive power exchanged between the stator windings of the machine and the three-phase voltage network.
  • control according to the invention preferably comprises a mains voltage
  • the state of the three-phase network can in the network voltage analyzer z.
  • B. by evaluating the grid voltage at the connection point of the wind power plant or wind farm with the superordinate three-phase grid: if the grid voltage (or the amount of the grid voltage space vector) deviates too much from an expected value, the three-phase grid becomes recognized as error-free.
  • a corresponding switchover between the control units then takes place by means of the changeover switch.
  • the converter on the rotor winding side now receives its switching status signals from the other control unit.
  • control units therefore have the following different tasks:
  • Control unit for undisturbed, superimposed three-phase network the wind power generator is operated with a constant power actuator (exactly: fundamental vibration displacement factor cos ⁇ l).
  • the detailed implementation of such a regulation is known from the literature.
  • the power factor required by the network operator at the connection point may differ from the fixed cos ⁇ l.
  • a separate compensation system takes care of the adjustment.
  • setpoint the nominal value within the control range of the wind turbine.
  • An embodiment variant of the control implemented in the control unit is the following: the network voltage measured at the point of connection between the wind power plant and the network or wind farm and network is compared with a setpoint. The difference is evaluated in a mains voltage regulator.
  • This controller can include statics to prevent vibrations between network equipment.
  • the output signal of the mains voltage regulator are the setpoints for the currents to be fed into the rotor windings by the converter.
  • the actual rotor winding current values are compared with these setpoints via a subordinate control unit.
  • the switching states of the converter on the rotor winding side are determined by evaluating this control deviation.

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  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mit einem elektrischen Drehstrom- netz verbundene Windkraftanlage mit einem einen Rotor aufwei- senden Generator, eine Regelungseinrichtung zugeordnet ist, wobei die Regelungseinrichtung eine erste und eine zweite Re- gelungseinheit aufweist, wobei ein Netzspannungsanalysator mit der Regelungseinrichtung und mit dem elektrischen Dreh- stromnetz verbunden ist, durch die eine Netzstörung ermittel- bar ist, welche Netzstörung als eine Abweichung des Netzspan- nungsraumzeigers von einem vorgegebenem Sollintervall defi- niert ist und wobei durch die zweite Regelungseinheit Für die regelung bei einem ungestörten drehstromnetz dient.

Description

Windkraftanlage
Die Erfindung betrifft die Regelung einer Windkraftanlage, insbesondere einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine
Bislang werden diese Windkraftgeneratoren wie z. B. in S. Müller, M. Deicke, Rik W. de Doncker: "Doubly fed induction generator Systems for wind turbines - a viable alternative to adjust speed over a wide ränge at minimal cost", IEEE in- dustry application magazine, may/june 2002 dargestellt aufgebaut und geregelt. Der Umrichter wird heutzutage bevorzugt aus einer "Rücken an Rücken" Schaltung von zwei selbstgeführ- ten Gleichspannungszwischenkreis-Stromrichtern ausgeführt.
Jedem Umrichter ist eine Regeleinheit zugeordnet. Die jeweilige Regeleinheit ermittelt die zu realisierenden Schaltzustände des zugeordneten Stromrichters und übermittelt diese Schaltzustände an die Ansteuerschaltungen des Stromrichters. Die Ansteuerschaltungen sind in der Regel im Stromrichter integriert .
Der rotorwicklungs-seitige Stromrichter des Umrichters bestimmt mit seinen Schaltzuständen die in den Rotorwicklungen fließenden Ströme. Der netzseitige Stromrichter muss die Gleichspannung auf einen konstanten Wert regel, . Der netzseitige Stromrichter kann auch die Gleichspannung für mehrere Windmühlen regeln. In diesem Fall wird ein Gleichspannungsnetz zwischen mehreren Windmühlen aufgespannt. In jedem Fall ist der rotorwicklungs-seitige Stromrichter aber immer genau einer Windmühle zugeordnet.
Die beschriebene Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Regelung des rotorwicklungs-seitigen Stromrichters. Dieser Stromrichter dient als Stellglied zur Erzeugung eines Stromsystems in den Rotorwicklungen. Dieses Stromsystem bestimmt die zwischen den Statorwicklungen der Maschine und dem Drehspannungsnetz ausgetauschte Wirk- und Blindleistung.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, umfasst die erfin- dungsgemaße Regelung vorzugsweise einen Netzspannungs-
Analysator, einen Umschalter und zwei separate Regeleinheiten.
Je nach Zustand des Drehspannungsnetzes (gestört oder unge- stört) ist die zugeordnete Regeleinheit an das Stellglied (= rotorwicklungs-seitiger Stromrichter) angeschlossen. Der Zustand des Drehspannungsnetzes kann im Netzspannungsanalysator z. B. durch Auswertung der Netzspannung am Verknup- fungspunkt von Windkraftanlage bzw. Windpark mit dem uberge- ordneten Drehspannungsnetz ermittelt werden: weicht die Netzspannung (bzw. der Betrag des Netzspannungs-Raumzeigers) zu stark von einem Erwartungswert ab, so wird das Drehspannungs- netz als fehlerbeha et erkannt. Es erfolgt dann durch den Umschalter eine entsprechende Umschaltung zwischen den Regel- einheiten, d. h. der rotorwicklungs-seitige Stromrichter bekommt jetzt seine Schaltzustandssignale von der anderen Regeleinheit.
Umgekehrt erfolgt eine Umschaltung zurück zur Regeleinheit "für ungestörtes Drehspannungsnetz", wenn die am Verknup- fungspunkt gemessene Netzspannung wieder als "ungestört" interpretiert wird, d. h. die Abweichung der Netzspannung von ihrem Erwartungswert ist wieder in einem Toleranzbereich.
Die Regeleinheiten haben damit folgende unterschiedliche Auf- gaben:
* Regeleinheit für ungestörtes überlagertes Drehspannungsnetz : der Windkraftgenerator wird mit konstantem Leistungs aktor (exakt: Grundschwingungsverschiebungsfaktor cos φl) betrieben. Die Detail-Ausfuhrung einer solchen Regelung st aus der Literatur bekannt. Der gegebenenfalls vom Netzbetreiber am Verknüpfungspunkt verlangte Leistungsfaktor kann von dem fest eingestellten cos φl abweichen. Für die Anpassung sorgt eine separate Kompensationsanlage .
* Regeleinheit für gestörtes überlagertes Drehspannungsnetz : diese Regeleinheit versucht im Rahmen des Stellbereichs der Windkraftanlage (WKA) die Netzspannung am Verknüpfungspunkt hinsichtlich der Amplitude auf ihren Nennwert (= Sollwert) zu regeln. Durch diese Betriebsweise erfolgen zum einen ein Beitrag der WKA zur Netzfehlerklärung im überlagerten Drehspannungsnetz sowie gleichzeitig eine Netzspannungsstützung. Beides ist aus Sicht des Netzbetreibers eine bevorzugte Be- triebsart der WKA bei Netzfehlern.
Eine Ausführungsvariante der in der Regeleinheit implementierten Regelung ist die Folgende: die am Verknüpfungspunkt zwischen Windkraftanlage und Netz oder Windpark und Netz gemessene Netzspannung wird mit einem Sollwert verglichen. Die Differenz wird in einem Netzspannungsregler bewertet. Dieser Regler kann eine Statik zum Verhindern von Schwingungen zwischen Netzbetriebsmitteln beinhalten. Das Ausgangssignal des Netzspannungsreglers sind die Sollwerte für die vom Stromrichter in die Rotorwicklungen einzuspeisenden Ströme.
Über eine unterlagerte Regeleinheit werden die Rotor- wicklungs-Stromistwerte mit diesen Sollwerten verglichen. Die Schaltzustände des rotorwicklungs-seitigen Stromrichters werden durch Auswertung dieser Regelabweichung ermittelt.
Bei den Berechnungen kann es vorteilhaft sein, In ormationen zur Winkellage und Drehzahl des Rotors zu benutzen. Beides kann von entsprechenden Zusatzeinrichtungen ermittelt werden (z. B. : Tachogenerator und Drehwinkelgeber).

Claims

Patentansprüche
1. Mit einem elektrischen Drehstromnetz verbundene Windkraftanlage mit einem einen Rotor aufweisenden Generator, dem eine Regelungseinrichtung zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung eine erste und eine zweite Regelungseinheit aufweist, wobei ein Netzspannungsanalysator mit der Regelungseinrichtung und mit dem elektrischen Drehstromnetz verbunden ist, durch die eine Netzstörung ermittelbar ist, welche Netzstörung als eine
Abweichung des Netzspannungsraumzeigers von einem vorgegebenem Sollintervall definiert ist und wobei durch die zweite Regelungseinheit im Falle einer erkannten Netzstörung die Regelung von der ersten Regelungseinheit über- nehmbar ist, während die erste Regelungseinheit für die Regelung bei einem ungestörten Drehstromnetz dient.
2. WKA nach Anspruch 1, bei der eine Kompensationseinrichtung mit dem Drehstromnetz verbunden ist, durch die eine Blind- leistungsregelung bei einem ungestörten Drehstromnetz auf einen durch einen Grundschwingungsverschiebungsfaktor festgelegten, gewünschten Blindleistungsanteil erfolgt.
3. WKA nach Anspruch 2, bei der die Blindleistungsregelung ausschließlich durch die Kompensationseinrichtung erfolgt
Λand die erste Regelungseinheit für eine Regelung auf einen während eines Normalbetriebs unveränderlichen Grund- schwingungsverschiebungsfaktor eingestellt ist.
4. WKA nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der
Generator als doppelt gespeister Asynchrongenerator ausgeführt ist.
5. WKA nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Umschalter vorgesehen ist, der mit dem Netzspannungsanalysator, der ersten und der zweiten Regelungseinheit verbunden ist und durch den nach Vorgabe des Netzspannungsanaly- sators entweder die erste oder die zweite Regelungseinheit aktiv schaltbar ist .
6. WKA nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Netzspannungsanalysator Parameter über den Rotorstrom im
Generator zuführbar ist.
7. WKA nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der dem Netzspannungsanalysator Parameter über die Winkellage und die Drehzahl des Rotors im Generator zuführbar ist.
8. WKA nach einem der Ansprüche 1-4, bei der die erste und zweite Regelungseinheit durch ein und dieselbe physikalische Einheit realisiert sind und durch den Betrieb dieser physikalischen Einheit mit unterschiedlichen Regelungsprogrammen jeweils entweder als erste oder zweite Regelungs- einheit ausgebildet sind.
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