DE102008017715A1

DE102008017715A1 - Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine sowie Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE102008017715A1
Application number: DE102008017715A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Schubert; Uwe Dipl.-Ing. Bellgardt
Original assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Current assignee: Nordex Energy SE and Co KG
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009121596A2; US20110095532A1; ATE540467T1; PL2263306T3; NO20101507L; JP2011517264A; EP2263306A2; US7948102B2; WO2009121596A3; CA2719302A1; RU2010143316A; EP2263306B1; CN102027671B; CN102027671A; BRPI0910436A2; AU2009231231A1; US8692399B2; ES2379981T3; US20090250931A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine, die einen netzseitigen und einen generatorseitigen Umrichter aufweist, welche mit einer Steuerung angesteuert werden. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: . In einem Normalbetrieb werden die Umrichter von der Steuerung über Führungsgrößen angesteuert, . in einem Fehlerfall werden die Umrichter von mindestens einem Steuermodul angesteuert, das über Führungsgrößen das Drehmoment und/oder die Wirkleistung und den Blindstrom und/oder die Blindleistung derart steuert, dass eine Trennung der Asynchronmaschine vom Netz nur dann erfolgt, wenn die Netzspannung eine vorbestimmte Spannungszeit-Kennlinie unterschreitet, wobei der Verlauf der Spannungszeit-Kennlinie durch mehrere vorwählbare Parameter in dem mindestens einen Steuermodul festgelegt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine sowie eine Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine.
Aus WO 2005/027301 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Frequenzumrichters für einen Generator bekannt. Das Verfahren betrifft eine Windenergieanlage mit einem Frequenzumrichter, der einen mit dem Generator verbundenen Umrichter und einen mit dem Netz verbundenen Umrichter aufweist. Das Verfahren sieht vor, dass bei einem deutlichen Abfall der Netzspannung die Spannung in einem Zwischenkreis zwischen den Umrichtern reduziert und ein Ausgangsstrom des netzseitigen Umrichters erhöht wird. Zusätzlich kann die Betriebsfrequenz zur Aussteuerung des netzseitigen Umrichters reduziert werden, um den Ausgangsstrom des netzseitigen Umrichters zu erhöhen.
Aus WO 2004/067958 A1 ist ein Generator für eine Windenergieanlage bekannt, der eine Niederspannungssteuerung zum Durchfahren von Netzfehlern aufweist. Die Steuerung ist vorgesehen, um in zuverlässiger Weise Leistung in das Netz einzuspeisen, wobei insbesondere die Netzanschlussbedingungen der Energieversorgungsunternehmen berücksichtigt werden sollen. Die Anforderungen werden als „low voltage ride through” (LVRT) bezeichnet und geben vor, dass eine Windenergieanlage weiterhin synchronisiert in das elektrische Netz einspeisen soll, wenn ein Spannungsabfall im Netz auftritt. Um diesen Forderungen zu entsprechen, wird vorgeschlagen, beim Auftreten eines Spannungsabfalls die Blattwinkel von einem oder mehreren Rotorblättern zu variieren.
In der Vergangenheit wurden von den Energieversorgungsunternehmen immer neue Netzanschlussregeln für Windenergieanlagen definiert, die besonderes Gewicht auf die FRT-Eigenschaften („fault ride through”) der Windenergieanlagen legen. FRT-Eigenschaften einer Windenergieanlage bezeichnet die Fähigkeit der Windenergieanlage, einen Netzfehler ohne Abschaltung oder Netztrennung zu durchfahren. Es existieren zahlreiche unterschiedliche FRT-Varianten, die immer wieder eine Anpassung der Steuerung der Windenergieanlagen notwendig machen. Hierdurch wird es immer wieder erforderlich, die Steuerung der Windenergieanlage – insbesondere die Steuerung der Umrichter – neu auszulegen und neue Steuerverfahren zu entwickeln. Durch die Entwicklungszeit und die nachfolgende Erprobung der neu angepassten Steuerung entstehen Verzögerungen und Kosten, die einer flexiblen Anwendung der Windenergieanlage entgegenstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine sowie eine solche Windenergieanlage bereitzustellen, die einfach an unterschiedliche FRT-Anforderungen angepasst werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Windenergieanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 23 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine, die einen netzseitigen und einen generatorseitigen Umrichter aufweist. Bevorzugt sind die Umrichter durch einen Gleichspannungszwischenkreis miteinander verbunden. Ferner ist erfindungsgemäß eine Steuerung vorgesehen, die die Umrichter ansteuert. Das erfindungsgemäße Verfahren weist im Normalbetrieb der Windenergieanlage den Schritt auf, dass die Umrichter der Windenergieanlage über die Steuerung durch Führungsgrößen angesteuert werden. Erfindungsgemäß werden die Umrichter in einem Fehlerfall von mindestens einem Steuermodul angesteuert, das über Führungsgrößen das Drehmoment und/oder die Wirkleistung sowie den Blindstrom und/oder die Blindleistung derart steuert, dass eine Trennung der Asynchronmaschine vom Netz nur dann erfolgt, wenn die Netzspannung eine vorbestimmte Spannungszeit-Kennlinie unterschreitet. Erfindungsgemäß ist der Verlauf der Spannungszeit-Kennlinie durch mehrere vorwählbare Parameter in dem mindestens einen Steuermodul festgelegt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zusätzlich zu der herkömmlichen Steuerung, die in an sich bekannter Weise die Einspeisung in das Netz steuert, zusätzlich mindestens ein Steuermodul vorgesehen, das im Fehlerfall vollständig die Steuerung der Umrichter über Führungsgrößen übernimmt, um die FRT-Anforderungen der Netzanschlussrichtlinien einzuhalten. Der Vorteil einer solchen modularen Steuerung der Windenergieanlage liegt darin, dass nicht länger bei einer Änderung der Netzanforderung, die gesamte Steuerung überarbeitet werden muss, sondern aufsetzend auf die Steuerung im Normalbetrieb lediglich ein oder mehrere Steuermodule für den Fehlerfall angepasst werden müssen. Indem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Spannungszeit-Kennlinie in dem mindestens einem Steuermodul parametrierbar ist, wird sichergestellt, dass das mindestens eine Steuermodul für die Anpassung an unterschiedliche FRT-Anforderungen leicht durch die geeignete Wahl der Parameter angepasst werden kann. Die Verwendung einer modularen, parametrisierbaren Steuerung erlaubt insgesamt, dass auch die Steuermodule nach einer Parametrisierung ohne Eingriff in die Steuerungsabläufe eingesetzt werden können. Die Entwicklungszeiten und die erforderlichen Umstellungszeiten bei einer Änderung der FRT-Anforderung, kann hierdurch deutlich reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in dem mindestens einen Steuermodul mindestens eine Führungsgrößenfunktion für den Blindstrom und/oder die Blindleistung abgelegt. Die Führungsgrößenfunktion gibt im Fehlerfall eine Führungsgröße für die Ansteuerung von mindestens einem Umrichter vor. Ebenfalls ist bevorzugt in dem mindestens einen Steuermodul mindestens eine Führungsgrößenfunktion abgelegt, die im Fehlerfall eine Führungsgröße für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung vorgibt. Die Führungsgrößenfunktion in den Steuermodulen erlaubt es im Fehlerfall, die Führungsgrößen für die Ansteuerung im Umrichter vorzugeben. Die Ansteuerung der Umrichter erfolgt somit im Normalbetrieb als auch im Fehlerfall über die Führungsgrößen, sodass sich für die Umrichter kein struktureller Unterschied in ihrer Ansteuerung ergibt.
In einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung sind mindestens zwei Steuermodule für den Fehlerfall vorgesehen, von denen ein erstes Steuermodul eine Stromfunktion als Führungsgrößenfunktion für den oder die Umrichter bereitstellt. Das erste Steuermodul gibt einem oder beiden Umrichtern vor, welcher Blindstrom und/oder welche Blindleistung von der Windenergieanlage erzeugt werden soll.
Zweckmäßig ist es ebenfalls, ein zweites Steuermodul mit einer Drehmomenten- und/oder Leistungsfunktion als Führungsgrößenfunktion vorzusehen, die einem der Umrichter ein Drehmoment- und/oder Leistungs-Sollwert vorgibt. Dieser zweckmäßigen Ausgestaltung liegt zugrunde, dass in den FRT-Anforderungen aus den Netzanschlussregeln ebenfalls Anforderungen an die Wirkleistungserzeugung (P) der Windenergieanlage während und nach Netzfehlern aufgestellt werden. Für die Wirkleistung (P) gilt der einfache Zusammenhang P = 2π·n·M,wobei n die Drehzahl und M das Drehmoment bzw. das Luftspaltmoment der Asynchronmaschine ist. Um etwaige Wirkleistungsvorgaben in einem Fehlerfall einhalten zu können, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, ein gesondertes Steuermodul für die entsprechende Drehmomentfunktion im Fehlerfall zu definieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung gibt im Fehlerfall das erste Steuermodul mindestens einem Umrichter einen Sollwert für einen zu erzeugenden Blindstrom I_B vor. Bevorzugt gibt das zweite Steuermodul im Fehlerfall dem generatorseitigen Umrichter einen Sollwert für das Drehmoment und/oder eine Wirkleistung vor. Durch die Verwendung zweier Steuermodule wird es möglich, die Steuerung der Windenergieanlage nicht nur modular und parametrisierbar auszubilden, sondern durch die Unterscheidung zwischen Drehmomentfunktion und Stromfunktion kann auch die Steuerung in einfacher Weise an den Aufbau der Windenergieanlage, also beispielsweise den verwendeten Rotor, den Triebstrang und weitere mechanische Bauteile angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung misst die Steuerung die Netzspannung und erkennt einen Fehlerfall, wenn die Netzspannung eine vorbestimmte Ansprech schwelle unterschreitet. Ein Fehlerfall wird durch die Steuerung dann erkannt, wenn die Netzspannung um einen vorbestimmten Betrag abfällt, sodass eine Ansprechschwelle für den Fehlerfall unterschritten wird. Bevorzugt wird, um eine vorzeitige Auslösung des Fehlerfalls zu verhindern, ein Fehlerfall nur dann erkannt, wenn die Ansprechschwelle mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer unterschritten wird. Sowohl die vorbestimmte Zeitdauer als auch der Wert der Ansprechschwelle sind Parameter, die in der Steuerung abhängig von den Vorgaben der Netzanschlussrichtlinien eingestellt werden können.
Nach einer alternativen Ausgestaltung ist es möglich, dass die Steuerung einen Fehlerfall erkennt, wenn ein Rotorstrom und/oder eine Zwischenkreisspannung über einen vorbestimmten Grenzwert ansteigt. Der Rotorstrom ist hierbei der Strom, der in den Stromkreis des Rotors fließt. Die Zwischenkreisspannung ist diejenige Spannung, die in dem Gleichspannungszwischenkreis zwischen dem generatorseitigen und dem netzseitigen Umrichter vorliegt.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Steuermodul mit der Führungsgrößenfunktion für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung mindestens zwei Grundfunktionen aufweist. Von den Grundfunktionen gibt eine erste Grundfunktion den Sollwert für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung nach Eintreten des Fehlerfalls vor, während die zweite Grundfunktion den Sollwert für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung nach Beendigung des Fehlerfalls bestimmt. Bei dieser Ausgestaltung des Steuermoduls für die Führungsgrößenfunktion ist das Steuermodul in zwei Grundfunktionen unterteilt, um das Steuermodul einfacher an unterschiedliche FRT-Anforderungen anpassen zu können.
Bevorzugt reduziert die erste Grundfunktion mit einem ersten Zeitintervall nach Eintreten des Fehlerfalls den Sollwert für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung vorzugsweise auf einen Wert nahe Null, in einem zweiten sich anschlie ßenden Zeitabschnitt wird der Sollwert auf einen vorbestimmten Minimalwert angehoben. Zweckmäßigerweise ist der Minimalwert in dem Steuermodul durch Parameter vorgegeben, sodass dieser leicht angepasst werden kann. Bevorzugt ist der Sollwert der ersten Grundfunktion abhängig von einer im Fehlerfall vorhandenen Netzspannung. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Abhängigkeit des Sollwerts von der Netzspannung und/oder der vorbestimmte Minimalwert der ersten Grundfunktion abhängig davon gewählt, ob ein Fehler in allen Phasen oder in nur einer oder zwei Phasen des Netzes vorliegt. Es wird also bei den Parametern der ersten Grundfunktion unterschieden, ob ein sogenannter symmetrischer Fehler oder ein asymmetrischer Fehler vorliegt, wobei als symmetrischer Fehler ein Fehler in allen Phasen und als asymmetrischer Fehler ein Fehler, der nicht alle Phasen des Netzes betrifft, bezeichnet wird. Durch die zusätzliche Unterscheidung der symmetrischen und asymmetrischen Netzfehlern für die Verwendung von hierfür geeigneten Parametersätzen bietet die erste Grundfunktion ein breites Spektrum, um das Steuermodul ohne großen Aufwand an unterschiedliche FRT-Anforderungen anpassen zu können.
Die zweite Grundfunktion, die erst nach Beendigung des Fehlerfalls den Drehmoment- und/oder Leistungssollwert vorgibt, setzt in einem vorbestimmten Zeitpunkt ein und erhöht den Sollwert für das Drehmoment und/oder die Leistung ab diesem Zeitpunkt bis zu einem vorbestimmten zweiten Zeitpunkt wieder auf den Wert für die Nennleistung und/oder das Nenndrehmoment. Auch bei der zweiten Grundfunktion sind erster und zweiter Zeitpunkt bevorzugt vorwählbare Parameter. Die Parameter für den ersten und den zweiten Zeitpunkt können in dem Steuermodul abhängig von der Anzahl und/oder der Dauer der vorangegangenen Fehlerfälle definiert werden.
Durch die Verwendung der beiden Grundfunktionen kann das Steuermodul für die Drehmoment- und/oder Wirkleistungssollwerte sehr einfach an unterschiedliche Spannungszeit-Kennlinien angepasst werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Stromfunktion für den Blindstrom abhängig von der betragsmäßigen Differenz der Netznennspannung und der Netzspannung während des Fehlerfalls bestimmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Windenergieanlage den notwendigen Beitrag zur Netzstützung im Fehlerfall liefert. Ferner kann vorgesehen sein, dass der maximale Sollwert für den Blindstrom während des Fehlerfalls auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ebenfalls durch eine Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine gelöst, die einen netzseitigen und einen generatorseitigen Umrichter und eine Steuerung aufweist, wobei die Steuerung über Führungsgrößen die Umrichter ansteuert. Die erfindungsgemäß ausgebildete Steuerung besitzt ein Fehlererkennungsmodul, das eine Ansteuerung der Umrichter durch mindestens ein Steuermodul auslöst. Das mindestens eine Steuermodul steuert über Führungsgrößen die Umrichter derart, dass eine Trennung der Asynchronmaschine vom Netz unterbleibt, solange die Netzspannung eine vorbestimmte Spannungszeit-Kennlinie nicht unterschreitet. Über die Führungsgrößen wird ein Drehmoment und/oder eine Wirkleistung sowie ein Blindstrom und/oder eine Blindleistung den Umrichtern vorgegeben. Die Steuerung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage besteht aus einem Fehlererkennungsmodul und mindestens einem Steuermodul, um auf einen Fehlerfall im Netz reagieren zu können, wobei der modulare Aufbau der Steuerung eine einfache Anpassung an unterschiedliche FRT-Anforderungen erlaubt. Erfindungsgemäß ist in dem mindestens einen Steuermodul der Verlauf der Spannungszeit-Kennlinie durch vorwählbare Parameter definiert. Hierdurch kann die modulare Steuerung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage in einfacher Weise für die FRT-Anforderungen der Netzbetreiber umparametrisiert und angepasst werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind mindestens zwei Steuermodule vorgesehen, von denen ein erstes Steuermodul mit mindestens einem Umrichter verbunden ist und eine Stromfunktion als Führungsgrößenfunktion für die Ansteuerung bereitstellt. Das zweite Steuermodul ist ebenfalls mit mindestens einem Umrichter verbunden, um eine Drehmoment- und/oder Wirkleistungsfunktion als Führungsgrößenfunktion im Fehlerfall für die Ansteuerung bereitzustellen.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Anlage einen Umschalter auf, der von dem Fehlererkennungsmodul angesteuert wird, um die Umrichter von der Steuerung für den Normalfall, beispielsweise eine Betriebsführung der Windenergieanlage, zu trennen und mit den Steuermodulen zu verbinden.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert. Es zeigt:
1 den erfindungsgemäßen Aufbau einer modularen Steuerung für eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine,
2 die herkömmliche Steuerung einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine,
3 eine durch Parameter festgelegte Spannungszeit-Kennlinie,
4 den Drehmomentverlauf im Fehlerfall,
5 die erste Grundfunktion für den Drehmomentverlauf im Fehlerfall,
6 die zweite Grundfunktion für den Drehmomentverlauf im Fehlerfall und
7a bis 7c den Verlauf von Netzspannung, Blindstrom und Drehmoment im Fehlerfall.
Bei einer Windenergieanlage wird die mechanische Leistung des Rotors über den Antriebsstrang im Generator in elektrische Leistung umgeformt. Der Generator 19 ist hierbei über zwei elektrische Kreise mit dem Netz gekoppelt. Der Statorkreis 10 ist direkt mit dem Netz 12 gekoppelt. Der Rotorkreis 14 ist indirekt über den Frequenzumrichter 16 mit dem Netz 12 gekoppelt. Dem Frequenzumrichter 16 kommt die Aufgabe zu, den Generator 19 zu regeln. Allgemein betrachtet fließt die Energie von der mechanischen Energie des Rotors über den Generator ins elektrische Netz. Fehler im Netz, wie beispielsweise Spannungseinbrüche, wirken aufgrund der Verbindung des Generators mit dem Netz auf die Windenergieanlage zurück. Die Netzanschlussregeln für Windenergieanlagen sehen daher für Windenergie-anlagen spezielle Kriterien für das Durchfahren eines Netzfehlers ohne Abschaltung oder Netztrennung der Windenergieanlage vor. Dieses Verhalten der Windenergieanlage wird auch als „fault ride through” („FRT”) bezeichnet.
Generator 19, Frequenzumrichter 16 und Antriebsstrang (nicht dargestellt) als Hauptkomponenten der Windenergieanlage sind unmittelbar oder mittelbar mit dem elektrischen Netz gekoppelt. Abhängig von Vorgängen im Netz sind die Hauptkomponenten damit mechanischen Belastungen ausgesetzt. Aus diesen Gründen ist es erforderlich, das FRT-Verhalten bzw. die Steuerung der Windenergieanlage für den Fehlerfall zu definieren, um die mechanischen und elektrischen Belastungen der Windenergieanlage mit den Anforderungen der Netzanschlussregeln in Einklang zu bringen.
Bevor die erfindungsgemäß Steuerung der Windenergieanlage näher beschrieben wird, sei zunächst die herkömmliche Steuerung einer Windenergieanlage kurz anhand von 2 erläutert. Wie bereits erwähnt, ist der Statorkreis 10 direkt mit Netz 12 verbunden. Der Rotorkreis 14 ist über einen Frequenzumrichter 16 ebenfalls mit den Netz 12 verbunden. Der Frequenzumrichter 16 besitzt einen generatorseitigen Umrichter 18 und einen netzseitigen Umrichter 20. Die Umrichter 18, 20 sind über einen Gleichspannungszwischenkreis 22 miteinander verbunden. Jeder der Umrichter 18, 20 wird über eine Pulsweitenmodulation 24, 26 angesteuert. Die Steuerung 28 des Frequenzumrichters 16 gibt zur Steuerung dem generatorseitigen Umrichter 18 einen Sollwert für das Drehmoment M* und einen Sollwert für den Blindstrom I_B* vor.
Wenn nachfolgend auf Drehmoment M* abgestellt wird, kann dies auch stets durch einen Sollwert für die Wirkleistung P* ersetzt werden. Ebenso kann der Blindstrom I_B* stets durch einen Sollwert für die Blindleistung Q* ersetzt werden.
Dem netzseitigen Umrichter 20 wird von der Steuerung 28 ein Sollwert für den Blindstrom I_B* vorgegeben.
Bei der in 2 dargestellten Steuerung ist es möglich, die Blindleistung und das Drehmoment getrennt voneinander einzustellen bzw. zu regeln. Die Sollwerte M* für das Drehmoment und I_B* für den Blindstrom dienen als Führungsgrößen und werden innerhalb der Steuerung 28 des Frequenzumrichters 16 generiert. Anschließend werden diesen Sollwerten entsprechene Pulsmuster erzeugt, woraus sich eine für den Rotor des Generators eingeprägte dreiphasige Spannung ergibt, die im Generator die Erzeugung der den Führungsgrößen entsprechenden Blindleistungen und des Drehmoments bewirkt. Durch die Regelbarkeit des Asynchrongenerators nach Drehmoment und Blindstrom sind die technischen Voraussetzungen geschaffen, um auf FRT-Anforderungen reagieren zu können.
Da hohe Echtzeitanforderungen an die FRT-Steuerung gestellt werden, müssen diese prozessnah implementiert werden. Vor diesem Hintergrund waren die FRT-Verfahren bisher stets integraler Bestandteil der Steuerung 28.
Bei der erfindungsgemäßen Steuerung, wie sie in 1 darstellt ist, ergibt sich ein anderer Aufbau. Zur besseren Übersicht sind auch in 1 die Komponenten, die die gleiche Funktion wie in der herkömmlichen Steuerung gemäß 2 erfüllen, mit gleichen Bezugszeichen belegt. Bei der erfindungsgemäßen Steuerung 30 liegen die Sollwerte M* und I_B* als Führungsgrößen im Normalbetrieb an der Steuerung 30 an. In 1 ist eine Steuerung 32 für den Normalbetrieb vorgesehen. Der Steuerung 32 können allgemeine Größen der Betriebsführung von extern (nicht dargestellt), beispielsweise von einer Betriebsführung der Windenergieanlage, vorgegeben werden.
Die von der Steuerung 32 bestimmten Sollwerte M* und I_B* liegen über Regler 34, 36, 38 an den Umrichtern 18, 20 an, wobei ebenfalls durch die Pulsweitenmodulation 24 und 26 die für die Steuerung der Umrichter erforderlichen Pulsmuster generiert werden. Die Regler 34, 36 und 38 führen einen Vergleich mit den Istwerten für das Drehmoment M_ist und den Blindstrom I_Bist durch. Um die Ist-Werte zu bestimmen, werden in einer Messeinrichtung 39 beispielsweise der Rotorstrom und die Statorspannung gemessen. In eine Transformationseinrichtung 41 werden diese gemessenen Größen in die Istwerte für das Drehmoment M_ist und den Blindstrom I_Bist transformiert. Die Transformation erfolgt abhängig von der Drehzahl des Generators (nicht dargestellt). Aus der Differenz zwischen Istwert und Sollwert wird die Regelgröße für die Regler 34 bis 38 gebildet.
Die Regelgröße für den Sollwert des Drehmoments M* liegt an dem generatorseitigen Umrichter 18 an, während die Regelgröße für den Sollwert für den Blindstrom I*_B an beiden Umrichtern 18, 20 anliegt.
In 1 ist ein Fehlererkennungsmodul 40 vorgesehen, das über einen Schalter 42 im Fehlerfall die Umrichter 18, 20 von den Sollwerten der Steuerung 32 trennt und an zwei Steuermodule 44, 46 anschließt.
In 1 wird bereits deutlich, dass durch das Umschalten des Fehlererkennungsmoduls 40 es möglich ist, eine herkömmliche Steuerung für die Umrichter 18, 20 einzusetzen, die unabhängig von den speziellen Vorgaben für den Fehlerfall arbeitet. Lediglich im Fehlerfall erfolgt über den Schalter 42 ein Umschalten und die Steuermodule 44, 46 übernehmen die Aufgabe der Steuerung 32. Von den Steuermodulen ist das Steuermodul 44 als Drehmomentfunktion ausgebildet, die für den Fehlerfall einen Sollwert für das Drehmoment M* vorgibt. Das Steuermodul 46 ist als Stromfunktion ausgebildet, das im Fehlerfall einen Sollwert für die Blindleistung und/oder den Blindstrom I_B* vorgibt.
In den Steuermodulen 44 und 46 ist jeweils eine Spannungszeit-Kennlinie 48 abgelegt, wie sie in 3 beispielhaft dargestellt ist. Die Spannungszeit-Kennlinie aus 3 ist durch frei wählbare Stützpunkte 52 definiert, die im vorliegenden Beispiel jeweils über Linien miteinander verbunden sind. Die Spannungszeit-Kennlinie in 3 beschreibt einen sogenannten Spannungstrichter, wobei die Anforderungen des Netzbetreibers besagen, dass so lange die Netzspannung größer als der durch die Spannungszeit-Kennlinie 48 vorgegebene Spannungswert ist, eine Netztrennung der Windenergieanlage nicht erfolgen darf. Das heißt bei dem doppelt gespeisten Asynchrongenerator, dass der Schalter 50 aus 1 geschlossen bleiben muss.
Der durch die Spannungszeit-Kennlinie 48 vorgegebene Spannungstrichter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage in einem ersten kurzen Zeitintervall bis t1 auch trotz eines sehr weitgehenden Spannungseinbruchs am Netz bleiben muss. In einem zweiten Zeitintervall von t1 bis t2 darf die Anlage sich nur vom Netz abtrennen, wenn die Netzspannung unterhalb des Spannungswerts U₂ liegt. Sollte sich in einem Zeitintervall t2 bis t3 die Netzspannung nicht mindestens linear bis zu einem Spannungswert von U₃ wieder ansteigen, darf die Windenergieanlage vom Netz getrennt werden. Für einen anschließenden längeren Bereich muss die Windenergieanlage an dem Netz betrieben werden, wenn der Spannungswert von U₄ überschritten wird. Durch die in 3 beispielhaft durch Kreuze eingezeichneten Stützpunkte 52 ist es möglich, die Spannungszeit-Kennlinie allgemein für die Steuerung zu definieren. Beispielsweise können durch geeignete Stützpunkte die Spannungswerte im Intervall t1 bis t2 auf ein durch die Einspeiserichtlinien vorgegebenen Wert gesetzt werden.
Die Steuerung der Steuermodule 44 und 46 erfolgt derart, dass die Sollwertvorgaben M* und I_B* erfolgen, damit sich die Windenergieanlage nicht vom Netz trennt und Detailanforderungen der Netzbetreiber genügen.
4 zeigt beispielhaft den Verlauf der Drehmomentfunktion 53 aus dem Steuermodul 44. In einem ersten Zeitintervall t_B – zu dessen Beginn der Netzfehler einsetzt – wird die Sollwertvorgabe für das Drehmoment auf Null gesetzt. In einem zweiten Zeitintervall t_C erfolgt eine Sollwertvorgabe für das Moment von ungefähr 40% des Nennmoments. In einem anschließenden Zeitintervall, das sich ungefähr von 2,5 Sekunden bis 2,7 Sekunden erstreckt, wird erneut ein Momentsollwert mit dem Wert Null an den generatorseitigen Umrichter 18 angelegt. In einem darauffolgenden Zeitintervall wird der Sollwert für den generatorseitigen Umrichter 18 ungefähr e-funktionsförmig wieder auf den Nennwert für das Drehmoment erhöht. Die in 4 dargestellte Drehmomentfunktion ist abhängig von den FRT-Anforderungen, wie sie durch die Spannungszeit-Kennlinie in 3 dargestellt sind. Um die Drehmomentfunktion der 4 besser in dem Steuermodul berücksichtigen zu können, wird diese in zwei Grundfunktionen zerlegt.
5 zeigt eine erste Grundfunktion, die den Verlauf des Drehmoments 55 nach Auftreten des Fehlerfalls beschreibt. Die erste Grundfunktion gibt vor, dass das Drehmoment zunächst auf den Wert Null abgesenkt wird, wobei der Netzfehler in 5 zum Zeitpunkt t = 1 s einsetzt. Nach ungefähr 0,3 Sekunden wird der Sollwert für das Drehmoment auf einen Wert von ungefähr 40% des Nenndrehmoments angehoben. Dieser Wert ist parametrisierbar in dem Steuermodul abgelegt.
6 zeigt den Verlauf der Drehmomentfunktion nach Auftreten des Fehlers, ungefähr nach 1,7 Sekunden bezogen auf das Eintreten des Fehlers, setzt ein parabelförmiger Anstieg des Drehmoment-Sollwerts auf die Nennleistung ein. Wenn die Drehmomentfunktionen gemäß 5 und 6 entsprechend miteinander kom biniert werden, besteht die Möglichkeit, dass die Drehmomentfunktion aus dem Steuermodul 44 das Drehmoment für den Fehlerfall steuert, um eine Netztrennung zu vermeiden bzw. Detailanforderungen der Netzbetreiber zu genügen.
7a bis c zeigen das Gesamtverhalten der Windenergieanlage in einem Fehlerfall. In der 7a ist die Netzspannung 54 eingezeichnet, die zum Zeitpunkt t = 1 s für die Dauer von 0,375 Sekunden auf einen Wert von 15% der Netznennspannung einbricht. Deutlich zu erkennen ist in 7b, dass das Drehmoment 56 der Windenergieanlage unmittelbar nach Eintreten des Fehlerfalls auf Null reduziert und nach ungefähr 0,3 Sekunden wieder hochgefahren wird. Mit Beendigung der reduzierten Netzspannung wird das Drehmoment der Windenergieanlage wieder auf Null gesenkt, um nach einer definierten Zeitdauer wieder auf das Nennmoment angehoben zu werden. Ungefähr vier Sekunden nach Eintreten des Fehlerfalls hat die Windenergieanlage wieder das Nennmoment erreicht. Die Einspeisung des Blindstroms setzt direkt mit dem Fehlerfall ein. In dem Zeitintervall, in dem das anfänglich reduzierte Drehmoment wieder erhöht wird, wird zur Kompensation ein erhöhter Blindstrom 58 eingespeist, der mit Beendigung des Fehlerfalls wieder reduziert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/027301 A1 [0002]
- WO 2004/067958 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine, die einen netzseitigen und einen generatorseitigen Umrichter aufweist, welche mit einer Steuerung angesteuert werden, das Verfahren weist folgende Schritte auf: • In einem Normalbetrieb werden die Umrichter von der Steuerung über Führungsgrößen angesteuert, • in einem Fehlerfall werden die Umrichter von mindestens einem Steuermodul angesteuert, das über Führungsgrößen das Drehmoment und/oder die Wirkleistung und den Blindstrom und/oder die Blindleistung derart steuert, dass eine Trennung der Asynchronmaschine vom Netz nur dann erfolgt, wenn die Netzspannung eine vorbestimmte Spannungszeit-Kennlinie unterschreitet, wobei der Verlauf der Spannungszeit-Kennlinie durch mehrere vorwählbare Parameter in dem mindestens einen Steuermodul festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Steuermodul mindestens eine Führungsgrößenfunktion für den Blindstrom und/oder die Blindleistung abgelegt ist, die im Fehlerfall eine Führungsgröße für die Ansteuerung von mindestens einem Umrichter vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Steuermodul mindestens eine Führungsgrößenfunktion abgelegt ist, die im Fehlerfall eine Führungsgröße für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung vorgibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Steuermodule für den Fehlerfall vorgesehen sind, von denen ein erstes Steuermodul eine Blindstrom- und/oder Blindleistungsfunktion als Führungsgrößenfunktion für mindestens einen Umrichter bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Steuermodule für den Fehlerfall vorgesehen sind, von denen ein zweites Steuermodul eine Drehmoment- und/oder Leistungsfunktion als Führungsgrößenfunktion für mindestens einen Umrichter bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Fehlerfall das erste Steuermodul mindestens einen Umrichter gemäß der Stromfunktion über einen Sollwert für einen Blindstrom und/oder eine Blindleistung ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Fehlerfall das zweite Steuermodul den generatorseitigen Umrichter gemäß der Drehmoment- und/oder Leistungsfunktion über einen Sollwert für ein Drehmoment und/oder eine Wirkleistung ansteuert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung die Netzspannung misst und einen Fehlerfall erkennt, wenn die Netzspannung eine vorbestimmte Ansprechschwelle unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen Fehlerfall nur dann erkennt, wenn die Ansprechschwelle mindestens für eine vorbestimmte Zeitdauer unterschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen Fehlerfall erkennt, wenn ein Rotorstrom I_R und/oder eine Zwischenkreisspannung über einen vorbestimmten Grenzwert ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul mit der Führungsgrößenfunktion für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung mindestens zwei Grundfunktionen aufweist, von denen eine erste Grundfunktion den Sollwert für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung nach Eintreten des Fehlerfalls und die zweite Grundfunktion den Sollwert für das Drehmoment und/oder die Wirkleistung nach Beendigung des Fehlerfalls bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundfunktion in einem ersten Zeitintervall den Drehmomenten- und/oder Wirkleistungssollwert reduziert und in einem zweiten Zeitabschnitt den Sollwert auf einen vorbestimmten Minimalwert anhebt, der kleiner oder gleich der Nennleistung bzw. das Nennmoment der Windenergieanlage ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Minimalwert in dem Steuermodul parametrisierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundfunktion den Drehmoment- und/oder Wirkleistungssollwert abhängig von einer im Fehlerfall vorhandenen Netzspannung vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit von der Netzspannung und/oder der vorbestimmte Minimalwert der ersten Grundfunktion abhängig davon gewählt werden, ob ein Fehler in allen Phasen oder nur in ein oder zwei Phasen des Netzes vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Grundfunktion von einem ersten Zeitpunkt ab ansteigend den Sollwert für das Moment und/oder die Leistung erhöht bis zu einem vorbestimmten zweiten Zeitpunkt der Sollwert dem Nennmoment und/oder der Nennleistung der Windenergieanlage entspricht.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Zeitpunkt in dem Steuermodul parametrisierbar sind.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Zeitpunkt in dem Steuermodul parametrisierbar ist, abhängig von der Anzahl und/oder der Dauer der vorangegangenen Fehlerfälle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul für die Stromfunktion einen Sollwert für den Blindstrom und/oder die Blindleistung vorgibt, wenn die betragsmäßige Differenz aus Netznennspannung und Netzspannung während des Fehlerfalls größer als ein vorbestimmter Differenzwert ist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromfunktion für den Sollwert des Blindstroms abhängig von der betragsmäßigen Differenz aus Netznennspannung und Netzspannung während des Fehlerfalls bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Sollwert für den Blindstrom während des Fehlerfalls auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromfunktion und ihre Parameter abhängig davon gewählt werden, ob ein Fehler in allen Phasen oder nur in ein oder zwei Phasen des Netzes vorliegt.
Windenergieanlage mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine, die einen netzseitigen und einen generatorseitigen Umrichter und eine Steuerung aufweist, welche die Umrichter über Sollwerte ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ein Fehlererkennungsmodul aufweist, das eine Ansteuerung der Umrichter durch mindestens ein Steuermodul auslöst, wobei in dem mindestens einen Steuermodul eine Spannungszeit-Kennlinie abgelegt ist und das Steuermodul die Umrichter derart ansteuert, dass eine Trennung der Asynchronmaschine vom Netz nur dann erfolgt, wenn die Netzspannung eine vorbestimmte Spannungszeit-Kennlinie unterschreitet, und das mindestens eine Steuermodul mehrere vorwählbare Parameter aufweist, die den Verlauf der Spannungszeit-Kennlinie definieren.
Windenergieanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Steuermodule vorgesehen sind, von denen ein erstes Steuermodul mit dem netzseitigen Umrichter verbunden ist und eine Stromfunktion für dessen Ansteuerung bereitstellt.
Windenergieanlage nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Steuermodul mit mindestens einem Umrichter verbunden ist, um eine Drehmoment- und/oder Wirkleistungsfunktion für die Ansteuerung des mindestens einen Umrichters bereitzustellen.
Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Fehlererkennungsmodul gesteuerter Schalter vorgesehen ist, der die Umrichter von der Steuerung trennt und mit den Steuermodulen verbindet.