DE102012212181A1

DE102012212181A1 - Einspeiseumrichter für eine Stromerzeugungsanlage, insbesondere eine Windkraftanlage

Info

Publication number: DE102012212181A1
Application number: DE201210212181
Authority: DE
Inventors: Thomas Darringer; Franz Schwimmbeck
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-01-16

Abstract

Für einen effizienten, gleichzeitig aber netzverträglichen Betrieb eines mit einem Stromnetz (16) verschalteten Einspeiseumrichters (17a–17c) einer Stromerzeugungsanlage, insbesondere einer Windkraftanlage (1) ist vorgesehen, den Einspeiseumrichter (17a–17c) in einem Normalbetriebsmodus (30) in Abhängigkeit einer für die Generatorleistung oder die Umrichterbelastung charakteristischen Steuergröße (P_G) reversibel zwischen einem aktiven Betriebszustand (28) und einem inaktiven Zustand (29) zu schalten, wobei der Einspeiseumrichter (17a–17c) stets ohne mechanische Schaltvorgänge aus dem inaktiven Betriebszustand (29) in den aktiven Betriebszustand (28) schaltbar ist. Des Weiteren ist vorgesehen, fortlaufend die im Stromnetz (16) anliegende Netzspannung (U_N) zu überwachen und den Einspeiseumrichter (17a–17c) eines Netzspannungsfehlers bei Erkennung in einem Netzstabilisierungsmodus (31) unabhängig von der Steuergröße (P_G) in dem aktiven Betriebszustand (28) zu betreiben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Stromnetz verbundenen Einspeiseumrichters einer Stromerzeugungsanlage. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf ein Einspeiseumrichtersystem für eine Stromerzeugungsanlage mit mindestens einem Einspeiseumrichter, bevorzugt mindestens zwei parallelgeschalteten Einspeiseumrichtern. Bei der Stromerzeugungsanlage handelt es sich insbesondere um eine Windkraftanlage. Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch bei anderen Stromerzeugungsanlagen vorteilhaft eingesetzt werden, die Strom aus einer Energiequelle mit zeitlich veränderlicher Leistung, z.B. Wasserkraft oder Solarenergie beziehen. In Abgrenzung von Verbrennungskraftwerken oder Kernkraftwerken sind Windkraftanlagen und andere Stromerzeugungsanlagen der vorstehend beschriebenen Art im Folgenden übergreifend auch als „alternative Stromerzeugungsanlagen“ bezeichnet.
Bei solchen alternativen Stromerzeugungsanlagen ist der stromerzeugenden Einheit (beispielsweise einem Generator oder einem Feld von Photovoltaikelementen) üblicherweise ein (Einspeise-)Umrichtersystem vorgeschaltet, über das die erzeugte elektrische Leistung in Form eines netzkompatiblen Wechselstroms in ein Stromnetz eingespeist wird. Ein solches Umrichtersystem umfasst mindestens einen (Einspeise-)Umrichter. Üblicherweise umfasst ein solches Umrichtersystem aber eine Mehrzahl von zueinander parallel geschalteten Umrichtern, von denen eine in Abhängigkeit der erzeugten Leistung zeitlich variierende Untergruppe betrieben werden, um die Umrichtungsverluste des Gesamtsystems und/oder die Belastung der einzelnen Umrichter zu minimieren. Umrichtersysteme für alternative Stromerzeugungsanlagen sind mit anderen Worten häufig in Abhängigkeit der erzeugten Leistung in variierendem Umfang teilabschaltbar.
Ein Umrichtersystem umfasst hierfür üblicherweise eine (Umrichter-)Steuereinheit, die den oder jeden Umrichter des Umrichtersystems reversibel zwischen einem aktiven Betriebszustand, in dem dieser Umrichter elektrische Leistung in das Stromnetz einspeist, und einem inaktiven Betriebszustand, in dem der jeweilige Umrichter keine elektrische Leistung in das Stromnetz einspeist, schaltet.
Ein gattungsgemäßes Umrichtersystem für eine Windkraftanlage sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren sind aus EP 1 768 223 A2 bekannt. Bei diesem System sind zwei verschiedene inaktiven Betriebszustände für die Umrichter vorgesehen, nämlich eine Langzeit-Ausschaltung (Long-Time Disablement) und eine Kurzzeit-Ausschaltung (Short-Time Disablement).
In der Langzeit-Ausschaltung wird der Umrichter elektromechanisch mittels zweier Schütze, die dem Umrichter generatorseitig und netzseitig vor- bzw. nachgeschaltet sind, von dem Generator der Windkraftanlage bzw. von dem Stromnetz getrennt. In der Kurzzeit-Ausschaltung bleiben die Schütze dagegen geschlossen (d.h. elektrisch leitend). Der Umrichter wird in diesem Fall lediglich durch entsprechende Ansteuerungen seiner Halbleiterschalter mit einem zeitlich konstanten Sperrsignal deaktiviert. Durch geeignete Wahl des inaktiven Betriebszustands der jeweils nicht betriebenen Umrichter wird hierbei die Effizienz und/oder die Ausfallsicherheit des Umrichtersystems optimiert.
Problematisch ist die leistungsabhängige Teilabschaltung des Umrichtersystems allerdings in Bezug auf die Netzverträglichkeit der Stromerzeugungsanlage, zumal das teilabgeschaltete Umrichtersystem Netzstörungen nicht oder nur in geringem Umfang ausgleichen kann.
Dies steht in Widerspruch mit der – mit wachsendem Anteil von Windkraft und sonstigen alternativen Energiequellen an der Gesamtstromerzeugung – stetig wichtiger werdenden Anforderung, dass auch alternative Stromerzeugungsanlagen netzstabilisierend wirken müssen, um im Falle einer Netzstörung einen Netzkollaps sicher ausschließen zu können. Die Netzanschlussregeln, die die Netzbetreiber für den Anschluss von Windkraftanlagen und sonstigen alternativen Stromerzeugungsanlagen vorschreiben, fordern vor diesem Hintergrund vielfach, dass die gesamte Umrichterkapazität einer alternativen Stromerzeugungsanlage im Falle einer Netzstörung ohne Zeitverzug zur Verfügung stehen muss. Dies ist von herkömmlichen Umrichtersystemen mit leistungsabhängiger Teilabschaltung häufig nicht in vollem Umfang einzuhalten, zumal die deaktivierten Umrichter im Störungsfall nicht hinreichend schnell aktiviert werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das einen effizienten, gleichzeitig aber netzverträglichen Betrieb eines gattungsgemäßen (Einspeise-)Umrichters einer alternativen Stromerzeugungsanlage, insbesondere Windkraftanlage ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein zugehöriges (Einspeise-)Umrichtersystem anzugeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich des Umrichtersystems wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 4. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausgestaltungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
In einem Normalbetriebsmodus des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der mindestens eine Umrichter in Abhängigkeit einer für die Generatorleistung oder die Umrichterbelastung charakteristischen Steuergröße reversibel zwischen einem aktiven Betriebszustand und einem inaktiven Betriebszustand geschaltet. In herkömmlicher Weise ist der aktive Betriebszustand hierbei dadurch charakterisiert, dass der Umrichter elektrische Leistung an das angeschlossene Stromnetz abgibt. Der inaktive Betriebszustand ist dagegen dadurch charakterisiert, dass der Umrichter keine elektrische Leistung an das Stromnetz abgibt.
Erfindungsgemäß ist der Einspeiseumrichter dabei im Normalbetriebsmodus aus seinem inaktiven Betriebszustand stets ohne mechanische Schaltvorgänge in den aktiven Betriebszustand schaltbar. Der Umrichter wird also mit anderen Worten im Normalbetriebsmodus nie elektromechanisch abgeschaltet. Insofern entspricht der (nachfolgend auch als „Bereitschaftszustand“ bezeichnete) inaktive Betriebszustand, den die Umrichter im Normalbetriebsmodus des erfindungsgemäßen Verfahrens einnehmen, stets der in EP 1 768 223 A2 offenbarten Kurzzeit-Ausschaltung, wohingegen ein der Langzeit-Ausschaltung entsprechender Betriebszustand im Normalbetriebsmodus des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht vorgesehen ist.
Des Weiteren wird im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens fortlaufend die im Stromnetz anliegende Netzspannung überwacht (d.h. nach Maßgabe vorgegebener Kriterien auf Netzspannungsfehler überprüft). Sobald im Zuge dieser Überprüfung ein Netzspannungsfehler festgestellt wird, wird der Umrichter in einem Netzstabilisierungsmodus des Verfahrens unabhängig von dem Betrag der Steuergröße stets in dem aktiven Betriebszustand betrieben. In dem Netzstabilisierungsmodus wird der Umrichter also in dem aktiven Betriebszustand weiterbetrieben, wenn er bereits vor Erkennung des Netzspannungsfehlers aktiv war. Er wird dagegen unmittelbar bei Erkennung des Netzspannungsfehlers in den aktiven Betriebszustand geschaltet, wenn er zuvor deaktiviert war.
Dadurch, dass der oder jeder Umrichter der Stromerzeugungsanlage im Normalbetriebsmodus niemals elektromechanisch abgeschaltet wird, kann der oder jeder ggf. deaktivierte Umrichter im Fehlerfall sehr schnell aktiviert werden, so dass die volle Umrichterkapazität im Fehlerfall ohne kritischen Zeitverzug zur Verfügung steht, um die Netzstabilisierung effektiv zu unterstützen. Somit können insbesondere auch die gängigen Netzanschlussregeln für Windkraftanlagen für den Störungsfall in vollem Umfang erfüllt werden, ohne andererseits im Normalbetrieb spürbare Effizienzeinbußen in Kauf nehmen zu müssen.
Das erfindungsgemäße Einspeiseumrichtersystem umfasst zusätzlich zu mindestens einem Einspeiseumrichter mindestens eine Umrichtersteuereinheit, die programm- und/oder schaltungstechnisch zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist. Die Umrichtersteuereinheit ist insbesondere als Mikrocontroller ausgebildet, in dem softwaretechnisch ein Programm implementiert ist, bei dessen Ablauf das erfindungsgemäße Verfahren automatisch ausgeführt wird. Die Umrichtersteuereinheit kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch einen zur Verfahrensdurchführung eingerichteten Hardware-Schaltkreis, beispielsweise einen sogenannten ASIC gebildet sein.
Vorzugsweise ist das Umrichtersystem derart ausgebildet, dass der Umrichter innerhalb einer zwischen 1 ms und 10 ms liegenden Schaltzeit von dem inaktiven Betriebszustand in den aktiven Betriebszustand geschaltet werden kann. Diese Schaltzeit wird bei dem erfindungsgemäßen Umrichtersystem insbesondere durch entsprechende Auslegung des Umrichters sowie der Umrichtersteuereinheit sichergestellt. Eine besonders schnelle Schaltzeit wird insbesondere dadurch erreicht, dass bevorzugt die Überwachung der Netzspannung und die Zuschaltung des Umrichters im Falle eines festgestellten Netzfehlers durch die Umrichtersteuerung selbst vorgenommen wird. Auf diese Weise werden Signalübertragungszeiten, die bei Überwachung der Netzspannung durch ein externes Steuergerät (beispielsweise eine übergeordnete Turbinensteuerung) anfallen würden, gespart. In der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante ist der Umrichter also in Lage, Netzspannungsfehler selbstständig zu erkennen und ohne Zeitverzug netzstabilisierend einzugreifen.
Zur Erkennung von Netzspannungsfehlern wird in bevorzugter Ausführung der Erfindung fortlaufend der Betrag und/oder die Frequenz der Netzspannung erfasst. Als Betrag der Netzspannung wird hierbei insbesondere die Amplitude der Netzspannung oder eine hierzu proportionale Größe, beispielsweise die halbe Amplitude oder der sogenannte Effektivwert der Netzspannung bestimmt. Bei einem üblichen dreiphasigen Stromnetz kann hierbei im Rahmen der Erfindung wahlweise auf die verkettete Netzspannung oder auf den Verlauf der Netzspannung in jeder einzelnen Netzphase gegen Masse abgestellt werden.
In einer üblichen und zweckmäßigen Bauform umfasst der Umrichter einen generatorseitigen Stromrichter sowie einen netzseitigen Stromrichter, die über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis miteinander verschaltet sind. Als „generatorseitiger Stromrichter“ wird hierbei allgemein der Stromrichter bezeichnet, der der stromerzeugenden Einheit der Stromerzeugungsanlage zugewandt ist.
In einer zweckmäßigen Bauform des Umrichtersystems ist dem generatorseitigen Stromrichter ein elektromechanischer Schalter, insbesondere in Form eines Schützes, vorgeschaltet. Dieser Schalter ist hierbei im Normalbetriebsmodus – auch im inaktiven Betriebszustand des Umrichters – stets (dauerhaft) geschlossen (d.h. leitend geschaltet). Der Schalter wird im Rahmen der Erfindung ausschließlich dazu verwendet, den entsprechenden Umrichter bei Ausfall oder zu Reparatur- und Wartungszwecken – mithin außerhalb des Normalbetriebsmodus – von der stromerzeugenden Einheit der Stromerzeugungsanlage elektromechanisch zu trennen.
Zusätzlich oder alternativ hierzu ist dem netzseitigen Stromrichter ein elektromechanischer Schalter, insbesondere wiederum in Form eines Schützes, nachgeschaltet, der ebenfalls im Normalbetriebsmodus stets geschlossen ist, und nur bei Ausfall, Reparatur oder Wartung geöffnet wird.
Bevorzugt umfasst das Umrichtersystem mehrere parallel zueinander geschaltete Umrichter. Die Umrichtersteuereinheit ist hierbei dazu eingerichtet, jeden Umrichter nach Maßgabe der mindestens einen Steuergröße an- oder auszuschalten, so dass im zeitlichen Wechsel – je nach dem zeitlich variierenden Wert der mindestens einen Steuergröße – alle Umrichter oder eine beliebige (sich zeitlich ändernde) Untergruppe hiervon aktiviert sind. Im Rahmen der Erfindung kann hierbei eine gemeinsame Umrichtersteuerung für alle parallelgeschalteten Umrichter vorgesehen sein. Alternativ hierzu kann die Umrichtersteuerung im Rahmen der Erfindung aber auch in mehrere separate – gegebenenfalls unabhängige – Untereinheiten gegliedert sein, so dass beispielsweise jedem Umrichter (oder sogar gegebenenfalls jedem der beiden Stromrichter eines jeden Umrichters) eine eigene (Unter-)Steuereinheit zugeordnet ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
1 in schematischer Darstellung stark vereinfacht eine Windkraftanlage mit einem Rotor, einem damit abtriebsseitig über eine Rotorwelle verbundenen Generator sowie einem dem Generator und einem Stromnetz zwischengeschalteten (Einspeise-)Umrichtersystem,
2 in einem vereinfachten Schaltbild das Umrichtersystem gemäß 1 mit beispielsweise drei parallel zueinander geschalteten (Einspeise-)Umrichtern und einer (Umrichter-)Steuereinheit zur Ansteuerung der Umrichter, und
3 anhand fünf synchroner Diagramme der Netzspannung bzw. der Generatorleistung bzw. jeweils eines Aktivierungssignals für jeden der drei Umrichter gegen die Zeit ein von der Steuereinheit gemäß 2 vorgenommenes Schaltspiel zur Aktivierung und Deaktivierung der drei Umrichter in Abhängigkeit der Netzspannung und der Generatorleistung.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine Windkraftanlage 1. Die Windkraftanlage 1 umfasst in an sich gewöhnlicher Weise einen fest im Boden 2 verankerten Turm 3 sowie eine darauf mittels einer Windrichtungsnachführung 4 um eine vertikale Drehachse drehbar gelagerte Gondel 5, an deren luvseitigen (dem Wind entgegen gerichteten) Stirnseite ein Rotor 6 um eine zumindest näherungsweise waagrechte Drehachse 7 drehbar gelagert ist. Der Rotor 6 ist in üblicher Weise durch eine Nabe 8 gebildet, um deren Umfang drei radial abstehende, verstellbare Rotorblätter 9 angeordnet sind. Im Inneren der Gondel 5 ist ein Generator 10 aufgenommen, der über eine Rotorwelle 11 durch den Rotor 6 angetrieben ist.
Der Generator 10 ist über eine Generatorleitung 12 mit einem – hier am Fuß des Turms 3 angeordneten – (Einspeise-)Umrichtersystem 13 verschaltet. Das Umrichtersystem 13 ist wiederum über eine Speiseleitung 14 mit einer im Boden 2 verlegten Netzleitung 15 eines Stromnetzes 16 verschaltet.
Im Betrieb der Windkraftanlage 1 wird der Rotor 6 durch den an der Gondel 5 vorbeiströmenden Wind in Rotation versetzt und treibt über die Motorwelle 11 den Generator 10 an. Die hierdurch in dem Generator 10 erzeugte elektrische Generatorleistung P_G wird über die Generatorleitung 12 dem Umrichtersystem 13 zugeführt. Das Umrichtersystem 13 wandelt den zugeführten Generatorstrom I_G in einen netzkompatiblen Speisestrom I_S um. Der Speisestrom I_S wird von dem Umrichtersystem 13 über die Speiseleitung 14 in die Netzleitung 15 eingespeist. Bei dem Stromnetz 16 handelt es sich um ein übliches, dreiphasiges Wechselstromnetz mit einer verketteten Effektivspannung von beispielsweise 690V und einer Frequenz von 50Hz. Bei dem Generator 10 ist beispielhaft ebenfalls dreiphasig ausgebildet. In diesem Fall sind sowohl die Generatorleitung 12 als auch die Speiseleitung 14 und die Netzleitung 15 jeweils dreiphasig ausgelegt. Insbesondere der Generator 10 und die zugehörige Generatorleitung 12 können im Rahmen der Erfindung aber auch für eine hiervon abweichende Phasenanzahl, insbesondere mehr als drei Phasen ausgelegt sein.
In 2 ist der Aufbau des Umrichtersystems 13 näher dargestellt. Wie dieser Darstellung zu entnehmen ist, umfasst das Umrichtersystem 13 hier beispielhaft drei (Einspeise-)Umrichter 17a, 17b und 17c sowie eine gemeinsame (Umrichter-)Steuereinheit 18. In alternativer Ausführung ist jedem der Umrichter eine eigene Umrichtersteuereinheit zugeordnet.
Jeder der Umrichter 17a–17c wird im Wesentlichen gebildet durch einen generatorseitigen Stromrichter 19a, 19b bzw. 19c sowie einen netzseitigen Stromrichter 20a, 20b bzw. 20c. Der generatorseitige Stromrichter 19a–19c und der netzseitige Stromrichter 20a–20c eines jeden Umrichters 17a–17c sind jeweils über einen (Gleichspannungs-)Zwischenkreis 21a, 21b bzw. 21c verschaltet. Jeder Zwischenkreis 21a–21c wird jeweils gebildet durch eine Hochpotentialschiene 22a, 22b bzw. 22c und eine Niederpotentialschiene 23a, 23b bzw. 23c, zwischen denen jeweils eine Zwischenkreiskapazität 24a, 24b bzw. 24c geschaltet ist.
Jeder Stromrichter 19a–19c ist in an sich gängiger (und nicht näher dargestellter) Bauform durch eine Vollbrückenschaltung mit einer der Phasenanzahl des Generators 10 und der Generatorleitung 12 entsprechenden Anzahl von Halbbrücken gebildet. In jeder Halbbrücke sind jeweils ein hochpotentialseitiger und ein niederpotentialseitiger Halbleiterschalter angeordnet. Eine jeweils zugeordnete Phase der Generatorleitung 12 ist über den hochpotentialseitigen Halbleiterschalter auf die Hochpotentialschiene 22a–22c, und über den niederpotentialseitigen Halbleiterschalter auf die Niederpotentialschiene 23a–23c des Zwischenkreises 21a–21c schaltbar. Die Halbleiterschalter des Stromrichters 19a bis 19c sind beispielsweise durch IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) gebildet, wobei jedem Halbleiterschalter eine Freilaufdiode parallelgeschaltet ist.
Jeder netzseitige Stromrichter 20a–20c ist ebenfalls durch eine (hier dreiphasige) Vollbrückenschaltung gebildet, die vom prinzipiellen Aufbau her dem vorstehend beschriebenen Aufbau des generatorseitigen Stromrichters 19a–19c entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem sowohl die Generatorleitung 12 als auch die Speiseleitung 14 dreiphasig ausgebildet sind, sind die Stromrichter 19a–19c und 20a–20c desselben Umrichters 17a–17c insbesondere bevorzugt identisch ausgebildet. Im Rahmen des jeweiligen Umrichters 17a–17c ist dem generatorseitigen Stromrichter 19a–19c jeweils ein (Generator-)Schütz 25a, 25b bzw. 25c vorgeschaltet, über den der Stromrichter 19a–19c elektromechanisch von der Generatorleitung 12 getrennt werden kann. Ebenso ist jedem netzseitigen Stromrichter 20a–20c jeweils ein (Netz-)Schütz 26a, 26b bzw. 26c nachgeschaltet, über den der jeweilige Stromrichter 20a–20c von der Speiseleitung 14, und somit von dem Stromnetz 16 elektromechanisch getrennt werden kann.
Die Steuereinheit 18 ist im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller gebildet, in dem ein Steuerprogramm 27 lauffähig implementiert ist. Die Steuereinheit 18 ist zur Messung der (dreiphasigen) Generatorspannung U_G direkt oder über einen Spannungswandler mit der Generatorleitung 12 verschaltet. Die Steuereinheit 18 ist des Weiteren zur Messung des (hier dreiphasigen) Generatorstroms I_G – genauer zur Messung der Stromstärke des dreiphasigen Generatorstroms I_G – über Stromwandler mit der Generatorleitung 12 verbunden. Die Steuereinheit 18 ist schließlich zur Messung der in dem Stromnetz 16 anliegenden (dreiphasigen) Netzspannung U_N direkt oder über einen Spannungswandler mit der Netzleitung 15 verbunden.
Ausgangsseitig ist die Steuereinheit 18 zur Ansteuerung der jeweiligen Stromrichter 19a–19c und 20a–20c sowie der jeweiligen Schütze 25a–25c und 26a–26c mit jedem der Umrichter 17a–17c verbunden. Lediglich aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist diese steuerungstechnische Verbindung in 2 lediglich für den Umrichter 17c explizit dargestellt.
Zur Ansteuerung der Stromrichter 19a–19c und 20a–20c kann die Steuereinheit 18 jeden Halbleiterschalter des Stromrichters 19a–19c und 20a–20c durch Ausgabe eines Spannungssignals auf die Gate-Elektrode des jeweiligen Halbleiterschalters reversibel öffnen und schließen (d.h. stromsperrend bzw. stromleitend ansteuern). Zur Ansteuerung der Schütze 25a–25c und 26a–26c kann die Steuereinheit 18 durch Ausgabe eines Schaltsignals an den jeweiligen Schütz 25a–25c und 26a–26c dessen Schaltkontakte elektromechanisch öffnen und schließen.
Die Steuereinheit 18 kann unter Wirkung des Steuerprogramms 27 jeden der Umrichter 17a–17c alternativ und reversibel wechselbar in einem von drei Betriebszuständen, nämlich

– einem aktiven Zustand (auch: Einschaltzustand 28, vgl. 3),
– einem vorübergehend inaktiven Zustand (auch: Bereitschaftszustand 29, vgl. 3) und
– einem (nicht näher dargestellten) Ausschaltzustand

In dem Einschaltzustand 28 steuert die Steuereinheit 18 unter Wirkung des Steuerprogramms 27 die Halbleiterschalter der Stromrichter 19a–19c und 20a–20c des entsprechenden Umrichters 17a–17c mit einem pulsweitenmodulierten Pulsspannungssignal an, so dass über diesen Umrichter 17a–17c die von dem Generator 10 erzeugte elektrische Generatorleistung P_G ganz oder teilweise in das Stromnetz 16 eingespeist wird. Um die Leistungsübertragung zu ermöglichen, hält die Steuereinheit 18 die Schütze 25a–25c und 26a–26c des entsprechenden Umrichters 17a–17c im Einschaltzustand 28 notwendigerweise geschlossen.
In dem Bereitschaftszustand 29 deaktiviert die Steuereinheit 18 den betreffenden Umrichter 17a–17c, indem sie mindestens einen der Stromrichter 19a–19c oder 20a–20c, bevorzugt aber beide Stromrichter 19a–19c und 20a–20c mit einer zeitlich konstanten Sperrspannung (insbesondere 0V) ansteuert. In diesem Betriebszustand überträgt der betreffende Umrichter 17a–17c keine elektrische Leistung in das Stromnetz 16. Die Schütze 25a–25c und 26a–26c des betreffenden Umrichters 17a–17c werden allerdings auch in dem Bereitschaftszustand 29 von der Steuereinheit 18 stets geschlossen gehalten, um bedarfsweise ein schnelles Rückschalten des Umrichters 17a–17c in den Einschaltzustand 28 zu ermöglichen.
In dem Ausschaltzustand sind die Schütze 25a–25c und 26a–26c des jeweiligen Umrichters 17a–17c durch die Steuereinheit 18 geöffnet, so dass die Stromrichter 19a–19c und 20a–20c elektromechanisch von der Generatorleitung 12 und dem Stromnetz 16 getrennt sind.
Für die Ansteuerung der Umrichter 17a–17c umfasst das Steuerprogramm 27 drei Betriebsmodi, nämlich

– einen Normalbetriebsmodus 30 (3),
– einen Netzstabilisierungsmodus 31 (3) sowie
– einen (nicht näher dargestellten) Fehlermodus.

Das Steuerverhalten, das die Steuereinheit 18 unter Wirkung des Steuerprogramms 27 im Normalbetriebsmodus 30 sowie im Netzstabilisierungsmodus 31 zeigt, ist in 3 anhand von fünf synchronen Diagrammen verdeutlicht, in denen – von oben nach unten – ein beispielhafter Verlauf der Netzspannung U_N, der Generatorleistung P_G sowie dreier Aktivierungssignale A₁, A₂ bzw. A₃ jeweils gegen die Zeit t angetragen ist.
Bei den Aktivierungssignalen A₁–A₃ handelt es sich hierbei um interne, durch das Steuerprogramm 27 veränderliche Parameter der Steuereinheit 18, die den Betriebszustand jeweils eines zugeordneten Umrichters 17a–17c bestimmen. Das Aktivierungssignal A₁ hat hierbei beispielhaft

– den Wert 1, wenn der zugeordnete Umrichter 17a in den Einschaltzustand 28 versetzt ist, und
– den Wert 0, wenn sich der Umrichter 17a in dem Bereitschaftszustand 29 befindet.

In gleicher Weise wird der Betriebszustand des Umrichters 17b durch das Aktivierungssignal A₂, und der Betriebszustand des Umrichters 17c durch das Aktivierungssignal A₃ festgelegt.
In dem der 3 zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel des von dem Steuerprogramm 27 durchgeführten Verfahrens aktiviert und deaktiviert die Steuereinheit 18 die Umrichter 17a–17c in Abhängigkeit der Generatorleistung P_G, die die Steuereinheit 18 hierzu aus der gemessenen Generatorspannung U_G und dem gemessenen Generatorstrom I_G fortlaufend berechnet. Im Normalbetriebsmodus 30 aktiviert die Steuereinheit 18, wie in 3 an dem entsprechenden Verlauf der Aktivierungssignale A₁–A₃ erkennbar ist,

– nur den Umrichter 17c, wenn und solange die Generatorleistung P_G einen unteren Schwellwert P₁ unterschreitet (P_G < P₁),
– nur die Umrichter 17b und 17c, wenn und solange die Generatorleistung P_G zwischen dem unteren Schwellwert P₁ und einem oberen Schwellwert P₂ liegt (P₁ ≥ P_G ≥ P₂) und
– alle drei Umrichter 17a–17c, wenn und solange die Generatorleistung P_G den oberen Schwellwert P₂ übersteigt (P_G > P₂).

Die jeweils nicht aktivierten Umrichter 17a oder 17a–17b werden im Normalbetriebsmodus 30 durch die Steuereinheit 18 stets und ausschließlich in den Bereitschaftszustand 29 versetzt. Mit anderen Worten werden die Umrichter 17a–17c in dem Normalbetriebsmodus 30 niemals in den Ausschaltzustand versetzt und somit auch nicht elektromechanisch von der Generatorleitung 12 und dem Stromnetz 16 getrennt.
Während des Normalbetriebsmodus 30 erfasst die Steuereinheit 18 unter Wirkung des Steuerprogramms 27 zudem fortlaufend die Netzspannung U_N und vergleicht die gemessene Netzspannung U_N mit einem hinterlegten Minimalwert U₀.
Wenn und solange die Netzspannung U_N den Minimalwert U₀ überschreitet (U_N ≥ U₀), identifiziert die Steuereinheit 18 den Netzbetrieb als ordnungsgemäß und hält den Normalbetriebsmodus 30 aufrecht. Einen Netzspannungseinbruch, bei dem die gemessene Netzspannung U_N den Minimalwert U₀ unterschreitet (U_N < U₀), identifiziert die Steuereinheit 18 unter Wirkung des Steuerprogramms 27 dagegen als Netzspannungsfehler. In diesem Fall schaltet die Steuereinheit 18 automatisch alle Umrichter in den Netzstabilisierungsmodus 31, in dem sie alle Umrichter 17a–17c unabhängig von dem Wert der Generatorleistung P_G stets im Einschaltzustand 28 betreibt. Umrichter 17a–17c, die vor Erkennung des Netzspannungsfehlers deaktiviert waren, werden dabei aus dem Bereitschaftszustand 29 innerhalb einer unkritisch kurzen Schaltzeit von etwa 2 ms aktiviert. Der Netzstabilisierungsmodus 31 wird von der Steuereinheit 18 solange aufrechterhalten, bis die gemessene Netzspannung U_N den Minimalwert U₀ wieder überschreitet (U_N > U₀).
In den Ausschaltzustand werden die Umrichter 17a–17c durch die Steuereinheit 18 nur im Fehlermodus des Verfahrens versetzt. In den Fehlermodus geht die Steuereinheit 18 nur dann über, wenn ein Umrichter 17a–17c aufgrund eines Defekts ausfällt, oder wenn ein Umrichter 17a–17c repariert, gewartet oder ausgetauscht werden soll. In den zuletzt genannten Fällen kann die Steuereinheit 18 durch einen Nutzerbefehl manuell in den Fehlermodus geschaltet werden.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1768223 [0004]
EP 1768223 A2 [0011]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines mit einem Stromnetz (16) verschalteten Einspeiseumrichters (17a–17c) einer Stromerzeugungsanlage, insbesondere einer Windkraftanlage (1), bei welchem der Einspeiseumrichter (17a–17c) in einem Normalbetriebsmodus (30) in Abhängigkeit einer für die Generatorleistung oder die Umrichterbelastung charakteristischen Steuergröße (P_G) reversibel zwischen einem aktiven Betriebszustand (28) und einem inaktiven Zustand (29) geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der Einspeiseumrichter (17a–17c) im Normalbetriebsmodus (30) stets ohne mechanische Schaltvorgänge aus dem inaktiven Betriebszustand (29) in den aktiven Betriebszustand (28) schaltbar ist, – dass fortlaufend die im Stromnetz (16) anliegende Netzspannung (U_N) überwacht wird, und – dass der Einspeiseumrichter (17a–17c) bei Erkennung eines Netzspannungsfehlers in einem Netzstabilisierungsmodus (31) unabhängig von der Steuergröße (P_G) in dem aktiven Betriebszustand (28) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeiseumrichter (17a–17c) bei Erkennung des Netzspannungsfehlers innerhalb einer zwischen 1 ms und 10 ms liegenden Schaltzeit von dem inaktiven Betriebszustand (29) in den aktiven Betriebszustand (28) geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Überwachung der Netzspannung (U_N) als Netzspannungsfehler erkannt wird, – wenn der Betrag der Netzspannung (U_N) einen vorgegebenen Minimalwert (U₀) unterschreitet und/oder – wenn der Betrag der Netzspannung (U_N) einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet und/oder – wenn die Frequenz der Netzspannung (U_N) einen vorgegeben Minimalwert unterschreitet und/oder – wenn die Frequenz der Netzspannung (U_M) einen vorgegeben Maximalwert überschreitet.
Einspeiseumrichtersystem (13) für eine Stromerzeugungsanlage, insbesondere eine Windkraftanlage (1) mit mindestens einem Einspeiseumrichter (17a–17c) sowie mit einer Umrichtersteuereinheit (18), die dazu eingerichtet ist, in einem Normalbetriebsmodus (30) den Einspeiseumrichter (17a–17c) in Abhängigkeit mindestens einer für die Generatorleistung oder die Umrichterbelastung charakteristischen Steuergröße (P_G) reversibel zwischen einem aktiven Betriebszustand (28) und einem inaktiven Betriebszustand (29) zu schalten, dadurch gekennzeichnet, – dass der Einspeiseumrichter (17a–17c) in dem Normalbetriebsmodus (30) stets ohne mechanische Schaltvorgänge aus dem inaktiven Betriebszustand (29) in den aktiven Betriebszustand (28) schaltbar ist, und – dass die Umrichtersteuereinheit (13) dazu eingerichtet ist, fortlaufend die im Stromnetz (16) anliegende Netzspannung (U_N) zu überwachen und bei Erkennung eines Netzspannungsfehlers den Einspeiseumrichter (17a–17c) in einem Netzstabilisierungsmodus (31) unabhängig von der Steuergröße (P_G) in dem aktiven Betriebszustand (28) zu betreiben.
Einspeiseumrichtersystem (13) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeiseumrichter (17a–17c) bei Erkennung des Netzspannungsfehlers durch die Umrichtersteuereinheit (18) innerhalb einer zwischen 1 ms und 10 ms liegenden Schaltzeit von dem inaktiven Betriebszustand (29) in den aktiven Betriebszustand (28) schaltbar ist.
Einspeiseumrichtersystem (13) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichtersteuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, bei der Überwachung der Netzspannung (U_N) als Netzspannungsfehler festzustellen, – wenn der Betrag der Netzspannung (U_N) einen vorgegebenen Minimalwert (U₀) unterschreitet und/oder – wenn der Betrag der Netzspannung (U_N) einen vorgegebenen Maximalwert.
Einspeiseumrichtersystem (13) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einspeiseumrichter (17a–17c) einen generatorseitigen Stromrichter (19a–19c) sowie einen netzseitigen Stromrichter (20a–20c) umfasst, die über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (21a–21c) miteinander verschaltet sind.
Einspeiseumrichtersystem (13) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem generatorseitigen Stromrichter (19a–19c) ein elektromechanischer Schalter (25a–25c) zur galvanischen Trennung des Einspeiseumrichters (17a–17c) von einer stromerzeugenden Einheit (10) der Stromerzeugungsanlage vorgeschaltet ist, wobei der Schalter (25a–25c) im Normalbetriebsmodus (30) stets geschlossen ist.
Einspeiseumrichtersystem (13) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem netzseitigen Stromrichter (20a–20c) ein elektromechanischer Schalter (26a–26c) zur galvanischen Trennung des Einspeiseumrichters (17a–17c) von dem Stromnetz (16) nachgeschaltet ist, wobei der Schalter (26a–26c) im Normalbetriebsmodus (30) stets geschlossen ist.
Einspeiseumrichtersystem (13) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch mehrere parallel zueinander geschaltete Einspeiseumrichter (17a–17c), wobei die Umrichtersteuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, nach Maßgabe der mindestens einen Steuergröße (P_G) zeitlich veränderbar alle Einspeiseumrichter (17a–17c) oder eine beliebige Untergruppe der Stromrichter (17a–17c) im aktiven Betriebszustand (28) zu betreiben.