DE3922573A1 - Windenergieanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Windkraftanlage, mit der die Windenergie über einen Rotor an einen Asynchrongenerator übertragen wird, wobei zur Einregelung einer konstanten Leistung die Rotorblätterwinkel einstellbar sind.

Bei Anlagen zur Wandlung der Windenergie in elektrische Energie ist man bestrebt, die Leistung der Anlage auf einen Nennmoment konstant zu halten, insbesondere einen Leistungs­ anstieg über den Nennmoment zu vermeiden. Dieses wird durch Begrenzung der Leistungsaufnahme des Rotors auf eine ent­ sprechende Nennleistung erreicht, indem der Rotorblatt­ winkel entsprechend der Windgeschwindigkeit verstellt wird. Die Trägheit dieser Rotorleistungsregelung macht es insbe­ sondere bei Großanlagen erforderlich, die Regelung der Blattwinkelverstellung durch weitere Regelungen zu unter­ stützen, um unerwünschte Auswirkungen von plötzlichen Wind­ geschwindigkeitsänderungen zu vermeiden.

Für die unterstützende Regelung sind zahlreiche Verfahren bekannt, die im Buch von Erich Hau "Windkraftanlagen", Springerverlag 1988, S. 262-273, 286-319, zusammenge­ faßt sind. Diese Verfahren basieren im wesentlichen darauf, daß der Windenergieanstieg zunächst in eine Erhöhung der Rotordrehzahl umgesetzt wird, unter - soweit möglich - Konstanthaltung des antreibenden Rotor- bzw. Getriebemomen­ tes, bis die Blattwinkeleinstellung zur Reduzierung der Leistungsaufnahme des Rotors eingreift.

Für die Zusatzregelung wird entweder die Rotorwelle (z.B. torsionselastische Welle) oder das Getriebe (beispielsweise Überlagerungsgetriebe mit begrenzter Abtriebsdrehzahl) oder der Generator (z.B. als Synchrongenerator) herangezogen oder aber auch durch Einbringen von Kupplungen (z.B. hydro­ dynamische Kupplung) oder von Stromrichtern erreicht.

Bei einer Anlage gemäß der eingangs genannten Art wird das Problem der Leistungsregelung gemäß einem Vorschlag des vorstehend zitierten Buches S. 302, 303 dadurch angegangen, daß der Asynchrongenerator mit einem erhöhten Schlupf ausgelegt wird. Damit wird erreicht, daß das Drehmoment des Generators bei einer Erhöhung der Rotordrehzahl einen geringeren Anstieg erfährt und das Drehmoment im Zeitraum bis zur Einstellung der Blattwinkeln nicht das Kippmoment erreicht. Diese Lösung erfolgt aber auf Kosten des Wirkungs­ grades, zumal mit der Anhebung des Schlupfes der Wirkungs­ grad des Generators sinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß eine Leistungs­ steuerung unter fertigungstechnisch geringem Aufwand und ohne nennenswerten Einbußen des Wirkungsgrades möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das niedrige Kippmoment ist gewährleistet, daß trotz hoher Windbeschleunigung kein hohes Generatormoment auftritt, das auf die Abtriebswelle des Getriebes wirken könnte. Das Getriebe wird damit keinen hohen Belastungen ausgesetzt, wenn bei raschen Windleistungsänderungen die daran anzupas­ sende Blattwinkelverstellung nicht rasch genug erfolgt. Gleichzeitig wird erreicht, daß die Leistungsschwankungen am Ausgang des Generators eine geringe Bandbreite haben, indem kurzzeitige Spannungsspitzen durch das niedrige Kipp­ moment relativ flach ausfallen.

Die bekannte Auslegung für ein weiches System durch Anhebung des Schlupfes kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung zusätzlich in Betracht gezogen werden, indem der Schlupf geringfügig auf etwa 1,5 bis 3,5% angehoben wird. Dadurch verlagert sich das Kippmoment auf höhere Drehzahlen, so daß das Kippmoment im Betrieb der Windenergieanlage nur äußerst selten erreicht wird.

Mit der Erfindung ist es möglich, Windstöße über den Asynchrongenerator so abzufangen, daß weder eine Belastung des Getriebes erfolgt, noch die Notwendigkeit ein besonders ausgestaltetes und technisch kompliziertes Getriebes oder eine Nachregelung der erzeugten elektrischen Energie vor­ sehen zu müssen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockbild der mechanisch-elektrischen Wirkungskette einer Windkraftanlage und

Fig. 2 ein Diagramm der Drehmomentencharakteristik eines Asynchrongenerators.

Fig. 1 zeigt den Triebstrang einer Windenergieanlage, bestehend aus einem vom Wind 10 betreibbaren Rotor 11, der über eine Antriebswelle 12, einem Getriebe 13 und einer Getriebeabtriebswelle 14 mit einem Generator 15 verbunden ist, dessen Ausgang 16 über einen Transformator 17 mit einem mit Strom zu versorgenden Netz 18 (oder Elektro­ speicher oder Verbraucher) verbunden ist. Die Windenergie­ anlage ist mit einem Regler 20 ausgerüstet, der in Abhängig­ keit elektrischer Leistung des Generators 15 oder in Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebswelle 12 die Winkel­ stellung 21 der Rotorblätter 22 des Rotors 11 entsprechend der Windleistung einstellt.

Eine Windenergieanlage muß in der Regel so ausgelegt und konzipiert werden, daß durch eine automatische Regelung am Ausgang 16 des Generators eine konstante Leistung ansteht und daß Überlastungen an der Anlage vermieden werden. Aufgrund der Massenträgheit der Rotorblätter 22 und der Stellglieder hinkt die Regelung einer Windgeschwindigkeits­ änderung nach, so daß die Anlage kurzzeitig Mehrbelastungen ausgesetzt wird, die die Anlage aushalten muß.

Diesem Umstand Rechnung tragend, wird als Generator 15 ein Asynchrongenerator verwendet, dessen Drehmomentencharakte­ ristik in Fig. 2 gezeigt ist. Die linke Seite des Diagramms stellt die Kurve im Motorbetrieb dar, auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Auf der rechten Seite des Dia­ gramms, das den Generatorbetrieb darstellt, zeigt die strichpunktierte Kurve den Verlauf des Drehmomentes M in Abhängigkeit vom Verhältnis der Drehzahl n zur Solldreh­ zahl n_s des Generators. Über einen relativ steilen Anstieg 25 erreicht die Kurve einen Höchstwert, das sogenannte Kipp­ moment M_k. Diese Kurve stellt die Charakteristik für einen konventionellen Asynchronmotor dar, bei dem das Verhältnis des Kippmomentes M_k zum Nennmoment M_N etwa 2,5 ist.

Bei der Verwendung eines derartigen Generators wird eine Windböe bis zum Eingreifen der Regeleinrichtung 20, 21 die Drehzahl n des Generators 15 derart anheben, daß ein starker Anstieg des Drehmomentes M und damit der Ausgangs­ leistung des Generators 15 erfolgt.

Um diese Konsequenzen zu vermeiden, muß die Leistungszunahme am Rotor 11 entweder von einem komplizierten Getriebe 13 aufgenommen werden, oder es muß ein kostspieliger Wandler dem Generator nachgeschaltet werden, mit dem die Zunahme der elektrischen Leistung verarbeitet wird.

Gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik hat man den Schlupf des Asynchrongenerators angehoben. Der Verlauf der Momentencharakteristik für einen Generator mit erhöhtem Schlupf entspricht der gestrichelten Kurve in Fig. 2.

Nach dieser Kurve wird das Moment M bei Windenergieänderung bzw. Drehzahländerungen nicht so rasch ansteigen, es kann jedoch bei sehr hohen Drehzahlen nach wie vor hohe Moment­ werte erreichen.

Gemäß der Erfindung wird dagegen eine Auslegung des Asyn­ chrongenerators gewählt, bei dem das Verhältnis zwischen Kippmoment M_k zum Nennmoment M_N zwischen 1,1 und 1,8, vor­ zugsweise zwischen 1,2 bis 1,5 liegt. Die Drehmomentcharak­ teristik eines derartigen Generators nimmt den Verlauf der durchgezogenen Kurve 30 ein. Hier wird ein erhöhtes Dreh­ moment M durch das niedrige Kippmoment von vorneherein unterdrückt, so daß die Gefahr einer Überlastung in den Zeiträumen zwischen Windenergiefluktuation und Rotorblatt­ winkelverstellung nicht mehr auftritt.

Durch diese Auslegung erübrigen sich andere Maßnahmen - insbesondere am Getriebe 13 und am elektrischen Umformer 17 - zur Aufnahme überschüssiger Wind- bzw. elektrischer Leistung.

Die Reduzierung des Generatorkippmomentes wird in bekannter Weise durch eine besondere Ausformung der Läuferstäbe, z.B. als Doppelstab erreicht. Mit der Reduzierung des Generatorkippmomentes wird zwar die Blindleistung des Generators erhöht, dieses kann jedoch in bekannter Weise durch Kondensatoren kompensiert werden.

Der vorstehend beschriebene erwünschte Effekt kann durch Anhebung des Schlupfes unterstützt werden, indem dadurch das Kippmoment auf höhere Drehzahlen verschoben wird und die Anhebung des Drehmomentes M bei Windleistungsanstieg folglich weiter gebremst wird. Die Momentencharakteristik nimmt dabei den in Fig. 2 mit Ziffer 31 gekennzeichneten Kurvenverlauf ein.

Claims (3)

1. Windkraftanlage, mit der die Windenergie über einen Rotor an einen Asynchrongenerator übertragen wird, wobei ein Regler zur Einstellung der Rotorblätter­ winkel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Asynchrongenerator (15) verwendet wird, dessen Kippmoment (M_k) das 1,1 bis 1,8-fache des Nennmoments (M_N) ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Kippmoment (M_k) und Nenn­ moment (M_N) des Asynchrongenerators (15) zwischen 1,2 und 1,5 liegt.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Asynchrongenerator (15) mit einem leicht erhöhten Schlupf ausgelegt ist.