DE10019362A1 - Verfahren für Regelung der durch Windkraftanlagen erzeugten Abgabeleistung an das Energienetz und zur Beeinflußung der Spannungsanhebung insbesondere an schwachen Netzknoten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Verfahren für einen oder mehre­ re parallele Puls-Stromrichter (1) mit Spannungs-Zwischenkreis (2) gemäß Fig. 1, wobei alle Generatortypen verwendet werden können. Ersatzweise dargestellt ist ein Synchrongenerator mit gesteuerter Erregung. Das Verfahren gilt für beliebige Anzahl von Generator- oder Netzphasen.

Bekanntermaßen wird die Leistung von Windkraftgeneratoren dadurch geregelt, daß im Wechselrichter der Generatorseite (4) die Leistung beeinflußenden Parameter über eine fest eingestellte Kennlinie in Abhängigkeit der Drehzahl verändert werden, oder daß bei Betrieb ohne Wechselrichter mit zunehmender Drehzahl die Einstel­ lung der Rotorblätter oder eine entsprechende Kennlinie der Rotorblätter zu einer Begrenzung der Leistung führen, oder daß der Stromrichter eine läuferseitige Re­ gelung ausführt. Der netzseitige Wechselrichter (5) hat prinzipiell die Aufgabe die Energie aus dem Zwischenkreis in das Netz einzuspeisen.

Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, daß die Leistungskennlinie der Windturbine stark von Toleranzen der elektrischen Maschinen oder von Verlusten abhängig ist, und somit die zum Netz gelieferte Wirkleistung nur ungenau einstellbar ist, und zumindest kurzzeitige Überleistung nicht verhindert werden kann. Weiter­ hin bewirkt die zunehmende Erhöhung der Einspeisung von Wirkleistung, insbeson­ dere bei schwachen Netzknoten, eine Erhöhung der Netzspannung.

Bekannt ist, daß sich der Winkel zwischen Strom und Spannung am Ausgang eines Pulsstromrichters derart einstellen läßt, daß eine gewünschte Blindleistung erzeugt werden kann, wie zum Beispiel bereits 1974 in "Elektrische Bahnen, DK621.33.025.3 /621337.077.65 beschrieben auf Seite 138", und sich somit die Gesamtspannung bestehend aus Wirk- und Blindanteil reduziert. Stand der Technik ist weiterhin, daß zur Regelung der Ausgangsspannung an Stromaggregaten die vom Generator auf­ genommene Leistung variiert wird, was zum Beispiel bei einer Fahrzeug-Lichtmaschine durch variable Erregung erfolgt. Bei einem Windkraftwerk wird durch derarti­ ge Regelung die maximale Abgabeleistung des Windkraftwerkes unnötig limitiert.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Verfahren vermeidet diese Nachteile da­ durch, daß die Generator-Wirkleistung variiert wird, in dem die dem Netz zugeführte Wirkleistung gemessen und zur Regelung oder Korrektur der Generator-Wirklei­ stung beiträgt. Die Kenngrößen zur Bestimmung der Wirkleistung und der daraus entstehende Stell- oder Korrekturwert (10) werden zwischen netzseitigem Ausgang des Stromrichters (6) und dem Netzknoten (7) durch Messung von Strom (8) und Spannung (9) ermittelt. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit der tatsächlichen Netz- Wirkleistung, gegenüber Verfahren, die auf der Generatorseite mit Drehmonent- Sollwerten in Abhängigkeit der Drehzahl, eine Steuerung der Generatorleistung ausführen.

Vorzugsweise erfolgt die Berechnung des Kennwertes zur Korrektur der Generator- Wirkleistung innerhalb des Controllers für den Netzwechselrichter, da diesem be­ reits Spannungs- und Stromwerte vorliegen.

Wahlweise kann die Berechnung der Wirkleistung auch durch Messung und Rech­ nung auf der Generatorseite erfolgen, jedoch muß dann ein zusätzlicher Korrektur­ wert für die Verlustleistung im Wechselrichter, in den Drosseln und Filtern, oder für im Zwischenkreis abgenommene Leistung eingerechnet werden, um auf die Netzlei­ stung zu schließen, und für den Generator ein Steuersignal zu generieren, das eine Nachführung der Wirkleistung ermöglicht. Als Variante wird der Stellwert auch da­ durch ermittelt, daß der gemessene Strom mit den internen Werten der Spannungs- Aussteuerung des Wechselrichters verrechnet wird.

Vorzugsweise wird der berechnete Leistungs-Kennwert derart verwendet, daß eine Korrektur der Generatorleistung erst erfolgt, wenn ein Betrieb im Bereich der Nenn­ leistung stattfindet, jedoch kann aber auch z. B. durch Vergleich mit einer hinterlegten Leistungs-Soll-Kennlinie, oder durch eine externe Vorgabe, eine Regelung auf eine gewünschte Kennlinie erfolgen.

Eine weitere Variante zur Stabilisierung der Generatorleistung besteht bei Syn­ chronmaschinen derart, daß bei Betrieb mit Pulsstromrichter die Möglichkeit vorhan­ den ist, daß die Stator Klemmenspannung durch Steuerung des Erregerstromes auf einen möglichst konstanten Wert knapp unterhalb der Zwischenkreispannung gere­ gelt wird, insbesondere bei Nennleistung. Erfindungsgemäß wird die gemessene Klemmenspannung nach Soll-Istvergleich verwendet um den Erregerstrom nachzu­ stellen. Eine Ausgestaltung und ganz erhebliche Verbesserung dieses Verfahrens besteht darin nicht die gemessene Generator-Klemmenspannung zu verwenden, sondern die im Stromrichter vorhandene Variable der Aussteuerung für die Span­ nung, oder eine andere Größe die mit der Ausgabespannung gekoppelt ist, als Kor­ rektur- oder Stellwert für den Erregerstrom zu verwenden, wodurch eine aufwendige Meßschaltung entfällt.

Eine weitere Ergänzung um möglichst konstant hohe Leistung zum Netz liefern zu können, ohne daß ein zu großer Anstieg der Netzspannung entsteht, besteht darin, daß die Höhe der netzseitigen Spannung durch Variation der Phasenwinkel zwi­ schen Strom und Spannung beeinflußt werden kann. Das Verfahren gemäß Erfin­ dung besitzt eine Regelung oder Nachstellung des Phasenwinkels in Abhängigkeit der Höhe der Netzspannung (gemäß Fig. 2), und somit wird Blindleistung in Abhän­ gigkeit der Spannungshöhe erzeugt.

Generell besitzt das Verfahren einen Parameter für einen Spannungs-Kennwert bei dem keine oder nur eine kleine Blindleistung erzeugt wird (11) und der in der Regel unterhalb der Nennspannung (12) liegt. Mit zunehmender Spannung erhöht sich der zulässige Wert für die Blindleistung, wodurch der cos-phi kleiner wird. Vorzugs­ weise wird bei einer Spannung in Nähe des Nennwertes (12) die maximal mögliche Blindleistung geliefert (13).

Da je nach Netzverhältnissen eine erhebliche Zunahme der Blindleistung erforder­ lich sein kann um die gewünschte Spannung zu stabilisieren, wird gemäß Erfindung eine Begrenzung (14) eingeführt, die verhindert, daß bei Nenn-Wirkleistung der Ge­ samtstrom den stromrichter-typischen zulässigen Nennwert übersteigt. Als Parame­ ter können alle Größen verwendet werden, die eine Verbindung zur Leistung aufweisen, wie zum Beispiel der Wert des Gesamtstroms, des Wirkstromes, des Blind­ stromes oder der Scheinleistung, Wirkleistung oder Blindleistung. Als Variante be­ steht auch die Möglichkeit, daß ab der Stromgrenze des Stromrichters, die Wirklei­ stung reduziert wird um die Spannung konstant zu halten.

Somit entsteht der Vorteil, daß je nach Höhe der Blindleistung, eine Konstanthaltung der Netzspannung oder ein abgeflachter Anstieg gewählt werden kann.

Soll die Netzspannung auf einen möglichst kleinen Bereich geregelt werden (durch Blindstromeinspeisung) kann auch ein P oder PI-Regler oder eine ähnliche Struktur, die erforderliche Blindleistung einstellen, durch Soll-Istvergleich der Netzspannung. Als Variante kann die Phasenverschiebung auch mittels eines Steuersignals vorge­ geben werden das die Generatorleistung spiegelt, oder durch eine Korrektur mittels überlagerter Steuerung erfolgen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb von Pulsumrichtern mit Spannungszwischenkreis, ver­ wendet zur Energiewandlung in Windkraftanlagen zwischen Stator oder Rotor des Generators und dem Energie-Versorgungsnetz, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Leistung des Generators die zum Netz geführte Wirkleistung durch einen Controller mittels gemessener Ströme und Spannungen berechnet wird, und daraus eine Rückführung aus einem oder mehreren Kennwerten für den generator­ seitigen Stromrichter gebildet wird, zur Beeinflußung der Generator-Wirkleistung.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgestaltung dadurch entsteht, daß die zur Regelung des netzseitigen Stromrichters erforderli­ chen Ströme und Spannungen verwendet werden um mittels Controller die Stell- oder Korrekturgröße für die Generator-Wirkleistung zu berechnen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestim­ mung des Steltsignals auch derart erfolgen kann, daß die berechnete Generator- Wirkleistung durch einen Korrekturfaktor, zur Berücksichtigung der Verluste, so an­ gepaßt wird, daß diese näherungsweise der Netz-Wirkleistung entspricht, und somit auch als Stellwert für die Solleistung verwendet werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgestaltung dadurch entsteht, daß die Stellgröße für die Generatorleistung eine beliebige Varia­ ble sein kann, die Einfluß auf die Generatorleistung hat, und daß der Stellwert auch ein prozentualer Korrekturwert sein kann.

5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgestaltung für Generatoren mit regelbarem Feld und Zwischenkreis-Einspeisung über Gleichrichter derart erfolgen kann, daß die Stellgröße zur Einstellung der Magnetisierung oder Er­ regung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei Stromrichterbetrieb eine Stabilisierung der Generatorleistung dadurch erfolgen kann, daß die Klemmen­ spannung durch Nachführung der Erregung konstant geregelt wird, und ein Wert für die Klemmenspannung entweder gemessen oder in Verbindung mit der Spannungs­ ausgabe des Stromrichters berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der Phasenlage zwischen Strom und Spannung des netzseitigen Wechselrichters eine Stabilisierung der Netzspannung erfolgt, und daß bei ansteigender Netzspannung eine Zunahme der Phasenverschiebung vorgenommen wird, und somit in Abhängig­ keit der eingespeisten Blindleistung eine einstellbare Verflachung des Spannungs­ anstieges gewählt werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Regler die Blindleistung so eingestellt wird, daß die Spannung auf einen definierten Soll­ wert geregelt oder begrenzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit eines Parameters der im Zusammenhang mit der erzeugten Generatorleistung oder Netz­ leistung steht, eine Begrenzung der netzseitigen Phasenverschiebung derart statt­ findet, daß der Gesamtstrom innerhalb zulässiger Grenzen bleibt.