DE102010024237C5 - Emergency power supply for adjusting the rotor blades of a wind turbine - Google Patents

Emergency power supply for adjusting the rotor blades of a wind turbine Download PDF

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Abstract

Notstromversorgungseinrichtung (2) zum Verstellen der Rotorblätter einer Windkraftanlage mit einem Verstellmotor (3), wobei die Notstromversorgungseinrichtung (2) einen Energiespeicher (7) aufweist, der zur Stromversorgung des Verstellmotors (3) im Notfallbetrieb dient, wobei die Notstromversorgungseinrichtung (2) mit einer Netzstromversorgungseinrichtung (1) gekoppelt ist, die für den elektrischen Energiefluss von einem Stromnetz zu dem Verstellmotor (3) einen stromnetzseitigen Gleichrichter (4), einen demselben nachgeordneten Antriebszwischenkreis (5) und einen demselben nachgeordneten Wechselrichter (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Notstromversorgungseinrichtung (2) einen zwischen dem Gleichrichter (4) und dem Antriebszwischenkreis (5) liegenden Wandler (8) aufweist, dass der Energiespeicher (7) direkt an den Antriebszwischenkreis (5) angekoppelt ist und dass der Wandler (8) als Aufwärts-/Abwärtswandler ausgeführt ist.Emergency power supply device (2) for adjusting the rotor blades of a wind turbine with an adjusting motor (3), wherein the emergency power supply device (2) has an energy store (7) which serves to power the Verstellmotors (3) in emergency operation, wherein the emergency power supply device (2) with a Mains power supply device (1) is coupled, which for the electrical energy flow from a power network to the adjusting motor (3) a power supply side rectifier (4), a same downstream drive intermediate circuit (5) and a same downstream inverter (6), characterized in that the Emergency power supply device (2) between the rectifier (4) and the drive intermediate circuit (5) lying converter (8), that the energy storage (7) is coupled directly to the drive link (5) and that the converter (8) as up / Down converter is executed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Notstromversorgungseinrichtung zum Verstellen der Rotorblätter einer Windkraftanlage mit einem Verstellmotor, wobei die Notstromversorgungseinrichtung einen Energiespeicher aufweist, der zur Stromversorgung des Verstellmotors im Notfallbetrieb dient, wobei die Notstromversorgungseinrichtung mit einer Netzstromversorgungseinrichtung gekoppelt ist, die für den elektrischen Energiefluss von einem Stromnetz zu dem Verstellmotor einen stromnetzseitigen Gleichrichter, einen demselben nachgeordneten Antriebszwischenkreis und einen demselben nachgeordneten Wechselrichter aufweist.The invention relates to an emergency power supply device for adjusting the rotor blades of a wind turbine with an adjusting motor, wherein the emergency power supply device has an energy storage, which serves to power the Verstellmotors in emergency mode, wherein the emergency power supply device is coupled to a mains power supply device for the electrical energy flow from a power supply to the Adjusting motor having a power supply side rectifier, a same downstream drive link and a same downstream inverter.

Eine derartige Notstromversorgungseinrichtung ist in der EP 1 852 605 A2 offenbart. Der Energiespeicher ist mittels des Wandlers an dem Antriebszwischenkreis der Netzstromversorgungseinrichtung derart gekoppelt, dass im Notfallbetrieb zumindest eine im Normalbetrieb am Antriebszwischenkreis anliegende Zwischenkreisnennspannung bereitgestellt wird. Hierbei ist die maximal mögliche Energiespeicherspannung durch die Netzeingangsspannung und dem zwischen Antriebszwischenkreis und Energiespeicher angeschlossenen Abwärtswandler bestimmt. Der Energiespeicher muss für die untere Toleranzgrenze der gleichgerichteten Netzeingangsspannung ausgelegt werden, was u. U. bei stark unterschiedlichen Anforderungen an den Energieinhalt zu einer Überdimensionierung des Energiespeichers aufgrund von Parallelschaltung oder zu einer Neuentwicklung des Energiespeichers und damit zu Mehrkosten führt. Außerdem wird durch den zwischen Energiespeicher und Antriebszwischenkreis geschalteten Aufwärtswandler der Wirkungsgrad des Energiespeichers im Notfallbetrieb verschlechtert.Such emergency power supply device is in the EP 1 852 605 A2 disclosed. The energy store is coupled by means of the converter to the drive intermediate circuit of the mains power supply device in such a way that, in emergency operation, at least one intermediate circuit rated voltage applied to the drive intermediate circuit during normal operation is provided. In this case, the maximum possible energy storage voltage is determined by the mains input voltage and the down converter connected between the drive intermediate circuit and the energy store. The energy storage must be designed for the lower tolerance limit of the rectified mains input voltage, which u. U. leads to over-dimensioning of the energy storage due to parallel connection or to a new development of the energy storage and thus to additional costs for very different demands on the energy content. In addition, the efficiency of the energy storage device in emergency operation is deteriorated by the switched between energy storage and drive link-up converter.

Aus der DE 694 01 497 T2 ist ein Aufwärts-/Abwärtswandler für eine Notstromversorgung bekannt.From the DE 694 01 497 T2 there is known an up / down converter for emergency power supply.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Notstromversorgungseinrichtung der oben genannten Art so zu verbessern, dass die Dimensionierung des Energiespeichers unabhängig von der Netzspannung und deren Toleranzschwankungen ist.The invention is therefore based on the object to improve an emergency power supply device of the type mentioned above so that the dimensioning of the energy storage is independent of the mains voltage and their tolerance variations.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Notstromversorgungseinrichtung einen zwischen dem Gleichrichter und dem Antriebszwischenkreis liegenden Wandler aufweist, dass der Energiespeicher direkt an den Antriebszwischenkreis angekoppelt ist und dass der Wandler als Aufwärts-/Abwärtswandler ausgeführt ist.The object is achieved in that the emergency power supply device has a converter located between the rectifier and the drive intermediate circuit, that the energy store is coupled directly to the drive link and that the converter is designed as an up / down converter.

Dieser Wandler besteht in vorteilhafter Ausführung aus einem Abwärtswandler mit einem nachgeschalteten Aufwärtswandler.This converter consists in an advantageous embodiment of a down converter with a downstream boost converter.

Der Abwärtswandler dient zum Laden des Energiespeichers bzw. Speisen des Antriebszwischenkreises über den gesamten Spannungsbereich unterhalb der gleichgerichteten Netzspannung des Stromnetzes. Der nachgeschaltete Aufwärtswandler dient dem Ladevorgang des Energiespeichers bzw. der Speisung des Antriebszwischenkreises, wenn seine Ladeschlussspannung oberhalb der gleichgerichteten Netzspannung des Stromnetzes liegt.The buck converter is used to charge the energy storage or food of the drive intermediate circuit over the entire voltage range below the rectified mains voltage of the mains. The downstream boost converter is used for charging the energy storage or the supply of the drive intermediate circuit when its charge end voltage is above the rectified mains voltage of the power grid.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Notstromversorgungseinrichtung besteht, wenn gemäß Anspruch 4 der Energiespeicher modular aufgebaut ist.An advantageous development of the emergency power supply device is when according to claim 4, the energy storage is modular.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 5 der Energiespeicher als Doppelschichtkondensator ausgeführt ist.Furthermore, it is advantageous if according to claim 5, the energy storage is designed as a double-layer capacitor.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform besteht, wenn gemäß Anspruch 6 Mittel zur dynamischen Spannungsanpassung des Energiespeichers vorgesehen sind.A further very advantageous embodiment is when, according to claim 6 means for dynamic voltage adjustment of the energy storage are provided.

Vorteilhafterweise hat gemäß Anspruch 7 der Energiespeicher einen Mikroprozessor für ein Lademanagement mit Einzelzellen oder Segment spannungsüberwachung.Advantageously, according to claim 7, the energy storage has a microprocessor for a charge management with single cells or segment voltage monitoring.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.An embodiment of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.

In der Zeichnung ist ein Schaltbild mit einer Netzstromversorgungseinrichtung 1 und einer Notstromversorgungseinrichtung 2 dargestellt, die zum Verstellen von Rotorblättern einer Windkraftanlage dienen und hierzu einen Verstellmotor 3 mit Strom versorgen. Mit dem Verstellmotor 3 kann der Anstellwinkel der Rotorblätter verstellt werden, um beispielsweise die Drehzahl des Verstellmotors 3 der Windkraftanlage in Abhängigkeit von der Windstärke einzustellen. Bekanntermaßen können aber auch die Rotorblätter im Störungsfall in eine Fahnenstellung gebracht werden, bei der die Kanten der Rotorblätter gegen den Wind ausgerichtet sind. Fällt die Netzstromversorgungseinrichtung 1 aus, wird der für den Weiterbetrieb des Verstellmotors 3 erforderliche Strom durch die Notstromversorgungseinrichtung 2 insbesondere durch den Energiespeicher 7 bezogen.In the drawing is a circuit diagram with a mains power supply 1 and an emergency power supply device 2 shown, which serve to adjust the rotor blades of a wind turbine and this an adjusting motor 3 supply electricity. With the adjusting motor 3 the angle of attack of the rotor blades can be adjusted to, for example, the speed of the adjusting motor 3 the wind turbine depending on the wind force. As is known, however, the rotor blades can also be brought into a feathering position in the event of a fault, in which the edges of the rotor blades are aligned against the wind. If the mains power supply fails 1 off, is the for the continued operation of the adjustment motor 3 required power through the emergency power supply 2 in particular by the energy storage 7 based.

Zur Netzstromversorgungseinrichtung 1 gehört im Wesentlichen ein an der Netzspannung U liegender Gleichrichter 4. Die Ausgangsstufe zur Verstellung der Rotorblätter besteht aus einem Antriebszwischenkreis 5, einem Wechselrichter 6 und einem Verstellmotor 3. Die Notstromversorgungseinrichtung 2 umfasst im Wesentlichen einen Energiespeicher 7 und einen Aufwärts-/Abwärtswandler 8 als Ladegerät, wobei der Aufwärtswandler dem Abwärtswandler nachgeschaltet ist.To the mains power supply device 1 essentially belongs to a lying on the mains voltage U rectifier 4 , The output stage for adjusting the rotor blades consists of a drive intermediate circuit 5 , an inverter 6 and an adjusting motor 3 , The emergency power supply 2 essentially comprises an energy store 7 and an up / down converter 8th as a charger, wherein the boost converter is connected downstream of the buck converter.

Der Energiespeicher 7 ist direkt an den Antriebszwischenkreis 5 angekoppelt. Der Aufwärts-/Abwärtswandler 8 liegt zwischen der Netzstromversorgungseinrichtung 1 und dem Antriebszwischenkreis 5 und dient zum Laden des Energiespeichers 7 sowie zur Speisung des Wechselrichters 6. Der durch einen elektronischen Schalter a, den zwei Dioden b, d und einer Drossel c gebildete Abwärtswandler wird zum Laden des Energiespeichers 7 über den gesamten Spannungsbereich unterhalb der gleichgerichteten Netzspannung des Stromnetzes benutzt und speist in diesem Spannungsbereich den Antriebszwischenkreis 5. Der elektronische Schalter a des Abwärtswandlers wird vorteilhafterweise durch einen von einem Mikrocontroller generierten Pulsweitenmuster angesteuert, um den Energiespeicher 7 über eine im Mikrocontroller abgelegte Ladekennlinie aufzuladen. Dabei ist es sehr vorteilhaft, das Pulsmuster aus den Informationen einer ersten zwischen dem Gleichrichter und dem Wandler liegenden Spannungsmesseinrichtung, einer Strommessung vor oder nach der Drossel c und einer zweiten Spannungsmesseinrichtung zur Messung der Energiespeicherspannung zu generieren.The energy storage 7 is directly to the drive DC link 5 coupled. The up / down converter 8th lies between the mains power supply device 1 and the drive DC link 5 and is used to charge the energy storage 7 and for powering the inverter 6 , The down converter formed by an electronic switch a, the two diodes b, d and a choke c is used to charge the energy storage 7 over the entire voltage range below the rectified mains voltage of the power grid, the drive DC link is used and fed in this voltage range 5 , The electronic switch a of the buck converter is advantageously driven by a pulse width pattern generated by a microcontroller to the energy storage 7 Charge via a charging characteristic stored in the microcontroller. It is very advantageous to generate the pulse pattern from the information of a first lying between the rectifier and the converter voltage measuring device, a current measurement before or after the inductor c and a second voltage measuring device for measuring the energy storage voltage.

Der durch den elektronischen Schalter a, einen weiteren elektronischen Schalter e, die Drossel c und die Diode d gebildete Aufwärtswandler übernimmt den Ladevorgang, wenn die spezifizierte Ladeschlussspannung oberhalb der gleichgerichteten Netzspannung liegt und speist den Antriebszwischenkreis 5 in diesem Spannungsbereich. In diesem Arbeitsbereich ist der elektronische Schalter a permanent eingeschaltet und der Schalter e wird durch ein pulsweitenmoduliertes Muster über einen Mikrocontroller angesteuert. Für die Signalerzeugung werden die Messeinrichtungen des Abwärtswandler verwendet.The up-converter formed by the electronic switch a, a further electronic switch e, the choke c and the diode d takes over the charging process when the specified end-of-charge voltage is above the rectified mains voltage and feeds the drive intermediate circuit 5 in this voltage range. In this work area, the electronic switch a is permanently turned on and the switch e is driven by a pulse width modulated pattern via a microcontroller. For the signal generation, the measuring devices of the buck converter are used.

Das Umschalten zwischen dem Betrieb Abwärtswandler und Aufwärtswandler und umgekehrt erfolgt automatisch im Betrieb in Abhängigkeit der gleichgerichteten Netzspannung und der Antriebszwischenkreis-/Energiespeicherspannung durch den μC.Switching between the buck converter and boost converter operation and vice versa is automatic during operation as a function of the rectified line voltage and the drive DC link / power storage voltage through the μC.

Aufgrund dessen kann die Ladeschlussspannung des modular aufbaubaren Energiespeichers 7 unabhängig von der Netzspannung eingestellt werden. Sie kann je nach Anforderung unterhalb als auch oberhalb der gleichgerichteten Netzspannung U eingestellt werden.Due to this, the end-of-charge voltage of the modular energy storage device can be increased 7 be set independently of the mains voltage. Depending on the requirement, it can be set below and above the rectified mains voltage U as well.

Die direkte Ankopplung des Energiespeichers 7 an den Antriebszwischenkreis 5 bringt einen hohen Wirkungsgrad der Notstromversorgungseinrichtung 2 mit sich. Außerdem ermöglicht die direkte Ankopplung, dass Bremsenergie durch kurzzeitigen Generatorbetrieb des Wechselrichters 6 zwischengepuffert werden kann.The direct coupling of the energy storage 7 to the drive DC link 5 brings a high efficiency of the emergency power supply device 2 with himself. In addition, the direct coupling allows braking energy through short-term generator operation of the inverter 6 can be buffered.

Ein modularer Aufbau des Energiespeichers 7 hat den Vorteil einer Anpassung des Energieinhalts an die spezifischen Anforderungen über einen weiteren Spannungsbereich mit nur einem Energiespeichertyp.A modular design of the energy storage 7 has the advantage of adapting the energy content to the specific requirements over a wider voltage range with only one type of energy storage.

Der Energiespeicher 7, der vorteilhafterweise als Doppelschichtkondensator ausgeführt ist, hat einen Mikroprozessor für das Lademanagement mit Einzelzellen oder eine Segmentspannungs- und Temperaturüberwachung und ist über eine Kommunikationsleitung mit der Steuerung Eingangszwischenkreis und Aufwärts-/Abwärtswandler 8 bestehenden Ladegeräts verbunden.The energy storage 7 , which is advantageously designed as a double-layer capacitor, has a micro-processor for single-cell charging management or segment voltage and temperature monitoring, and is via a communication line with the control input link and up / down converter 8th connected to existing charger.

Der Mikroprozessor im Energiespeicher 7 berechnet ein Lebensdauermodell und ermittelt in Abhängigkeit der notwendigen Energiemenge und des Alterungszustands des Energiespeichers 7 die Speicherspannung unabhängig von der Netzspannung U, meldet diese der Steuerung des Ladegeräts, bestehend aus einem μC. Durch diese dynamische Spannungsanpassung kann die Alterung des Energiespeichers 7 verlangsamt, d. h., die Lebensdauer erhöht werden.The microprocessor in the energy storage 7 calculates a lifetime model and determines as a function of the required amount of energy and the aging state of the energy storage device 7 the storage voltage independent of the mains voltage U, this reports the control of the charger, consisting of a μC. This dynamic voltage adjustment can alter the aging of the energy storage 7 slows down, ie, the life can be increased.

Claims (8)

Notstromversorgungseinrichtung (2) zum Verstellen der Rotorblätter einer Windkraftanlage mit einem Verstellmotor (3), wobei die Notstromversorgungseinrichtung (2) einen Energiespeicher (7) aufweist, der zur Stromversorgung des Verstellmotors (3) im Notfallbetrieb dient, wobei die Notstromversorgungseinrichtung (2) mit einer Netzstromversorgungseinrichtung (1) gekoppelt ist, die für den elektrischen Energiefluss von einem Stromnetz zu dem Verstellmotor (3) einen stromnetzseitigen Gleichrichter (4), einen demselben nachgeordneten Antriebszwischenkreis (5) und einen demselben nachgeordneten Wechselrichter (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Notstromversorgungseinrichtung (2) einen zwischen dem Gleichrichter (4) und dem Antriebszwischenkreis (5) liegenden Wandler (8) aufweist, dass der Energiespeicher (7) direkt an den Antriebszwischenkreis (5) angekoppelt ist und dass der Wandler (8) als Aufwärts-/Abwärtswandler ausgeführt ist.Emergency power supply device ( 2 ) for adjusting the rotor blades of a wind turbine with an adjusting motor ( 3 ), wherein the emergency power supply device ( 2 ) an energy store ( 7 ), which for the power supply of the adjusting motor ( 3 ) in emergency mode, the emergency power supply device ( 2 ) with a mains power supply ( 1 ), which is responsible for the electrical energy flow from a power supply to the adjusting motor ( 3 ) a rectifier ( 4 ), a same downstream drive link ( 5 ) and a same downstream inverter ( 6 ), characterized in that the emergency power supply device ( 2 ) one between the rectifier ( 4 ) and the drive DC link ( 5 ) converter ( 8th ), that the energy store ( 7 ) directly to the drive DC link ( 5 ) and that the converter ( 8th ) is implemented as an up / down converter. Notstromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Wandler durch einen Mikrocontroller gesteuert ist. Emergency power supply device according to claim 1, characterized in that the converter is controlled by a microcontroller. Notstromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abwärtswandler für den Ladevorgang des Energiespeichers (7) dient, solange dessen Ladespannung unterhalb der gleichgerichteten Netzspannung des Stromnetzes liegt und wobei der Aufwärtswandler für den Ladevorgang des Energiespeichers (7) dient, wenn seine Ladespannung oberhalb der gleichgerichteten Netzspannung des Stromnetzes liegt.Emergency power supply device according to claim 1, characterized in that the down converter for the charging of the energy store ( 7 ), as long as its charging voltage is below the rectified mains voltage of the power grid and wherein the boost converter for the charging of the energy store ( 7 ) is used when its charging voltage is above the rectified mains voltage of the mains. Notstromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (7) modular aufgebaut ist.Emergency power supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy store ( 7 ) is modular. Notstromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (7) als Doppelschichtkondensator ausgeführt ist.Emergency power supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy store ( 7 ) is designed as a double-layer capacitor. Notstromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur dynamischen Spannungsanpassung des Energiespeichers (7) vorgesehen sind.Emergency power supply device according to one of the preceding claims, characterized in that means for dynamic voltage adjustment of the energy store ( 7 ) are provided. Notstromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (7) einen Mikroprozessor für ein Lademanagement mit Einzelzellen oder eine Segmentspannungsüberwachung hat.Emergency power supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the energy store ( 7 ) has a microprocessor for single cell charge management or segment voltage monitoring. Notstromversorgungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung für den Wandler (8) vorgesehen ist, die mit einer ersten zwischen dem Gleichrichter (4) und dem Wandler (8) liegenden Spannungsmesseinrichtung und einer zweiten Spannungsmesseinrichtung verbunden ist, die zur Messung der Ladespannung am Energiespeicher (7) dient.Emergency power supply device according to claim 7, characterized in that a controller for the converter ( 8th ) provided with a first between the rectifier ( 4 ) and the converter ( 8th ) lying voltage measuring device and a second voltage measuring device is connected to the measuring of the charging voltage at the energy storage ( 7 ) serves.
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