Die Rotoren und der Träger eines großen, kommerziellen Windrades müssen während des Betriebs immer senkrecht im Wind stehen. Aufgrund häufiger Windrichtungsänderungen ist dies jedoch ein instabiler Betriebszustand. Dementsprechend muss ein elektrischer Antrieb Gondel und Rotor aktiv bewegen, damit sie immer \’im Wind\‘ stehen. Damit sich die Gondel nicht bei jeder kleinen, kurzzeitigen Windrichtungsänderungen dreht, muss man zusätzlich Bremsen einsetzen. Zur Sicherung einer optimalen Gondel-Positionierung messen Stromwandler in den Umrichtern permanent den vom Generator erzeugten Strom. Dabei haben Bauweise und Qualität der Stromwandler einen maßgeblichen Einfluss auf die Güte und Reaktionsgeschwindigkeit der Stromregelung. Die konstruktionsbedingten Vorteile von Kompensationsstromwandlern sind dabei eine hohe Frequenzbandbreite in Kombination mit einer kurzen Reaktionszeit sowie eine sehr gute Linearität, die in der Summe eine hohe Genauigkeit ermöglichen. Aus diesem Grund setzt man in dieser Anwendung meist Kompensationsstromwandler mit niedrigen Nennströmen ein. Nach der Stromerzeugung muss die Energie in das Netz Hersteller von Windkraftanlagen haben eine Reihe konkurrierender Systeme entwickelt, mit denen der Strom in das Netz gelangt. Prinzipiell ist jede Windanlage entweder mit einem Asynchrongenerator oder einem Synchrongenerator ausgestattet. Eine Windkraftanlage nach dem klassischen \’dänischen Konzept\‘ besteht aus einem Stall-gesteuerten Rotor mit drei Rotorblättern, einem Getriebe, einem polumschaltbaren Asynchrongenerator mit Käfigläufer und einer direkten Netzanbindung. Bedingt durch die direkte Netzanbindung entsteht dabei ein drehzahlstarres System mit einer nahezu konstanten Betriebsdrehzahl im übersynchronen Bereich. Die Rotordrehzahl lässt sich in engen Grenzen durch eine Schlupfregelung und in einem weiteren Bereich durch eine Umschaltung der Pole im Generator anpassen. Das Getriebe wandelt die Rotor-Drehgeschwindigkeit in die vom Generator benötigte Drehzahl um. Zum Aufbau des Generator-Drehfeldes bezieht die Maschine Leistung aus dem Netz. Zur Begrenzung der hohen Einschaltströme beim Aufschalten des Generators auf das Netz schaltet man während des Anlaufens Drehstromsteller zwischen Generator und Netz. Ein modifiziertes \’dänisches Konzept\‘ Wegen einiger technischer Nachteile, wie den Ausgleichsvorgängen am Netzübergabepunkt durch die zur Leistungsanpassung nötigen Schaltvorgänge, kommt dieses Konzept der direkten Netzankopplung heute bei großen Windturbinen nicht mehr zum Einsatz. Stattdessen verwenden die meisten großen Windkraftanlagen heute ein modifiziertes \’dänisches Konzept\‘ mit einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine als Generator. Der Stator ist frequenz- und spannungsstarr mit dem Netz gekoppelt. Dabei ist der Schleifringläufer über einen speziellen Umrichter an das Netz angeschlossen. Dieser Umrichter muss nicht nur in der Lage sein, Energie in Richtung Maschine, sondern auch in Richtung Netz zu übertragen. Für dieses Konzept muss man den Umrichter lediglich für eine Schlupfleistung von etwa 20% der Generator-Nennleistung auslegen. Eine so konzipierte Windkraftanlage arbeitet mit variablen Drehzahlen im unter- bis zum übersynchronen Bereich. Dabei setzt man zwei identische pulsgesteuerte IGBT-Wechselrichter mit Gleichspannungzwischenkreis als Umrichter ein, wobei man den einen als Gleichrichter, den anderen als Wechselrichter betreibt. Die Regelung von Netzleistung und Zwischenkreisspannung Die Regelung von Netzleistung und Zwischenkreisspannung erfordert eine präzise und schnelle Stromerfassung. LEM liefert für diesen Einsatz besonders gut geeignete Kompensationsstromwandler mit Nennströmen im mittleren Bereich. Diese Wandler zeichnen sich durch kompakte Bauweise und vielfältige Einbaumöglichkeiten aus. Außerdem lassen sich die LEM-Spannungswandler zur Überwachung und/oder Regelung des Spannungszwischenkreises einsetzen. Zur Anpassung der relativ langsam drehenden Rotorbewegung an die Generatordrehzahl erfordern die beiden oben vorgestellten Konzepte ein Getriebe. Pulswechselrichter übernehmen die Netzankopplung Ein anderes Konzept nutzt einen Synchrongenerator zur Realisierung einer drehzahlvariablen Windkraftanlage. Weil nun kein wartungsintensives und mit zusätzlichen mechanischen Verlusten verbundenes Getriebe mehr erforderlich ist, muss die Ankopplung des Rotors an den Generator niedertourig erfolgen. Dies lässt sich mit einer hochpoligen Maschine, einem sogenannten Ringgenerator, erreichen. Ein wesentlicher Vorteil von Synchrongeneratoren besteht darin, dass sie je nach Feld- beziehungsweise Erregersteuerung induktive oder kapazitive Blindleistung liefern können. Bei diesem Konzept übernehmen Pulswechselrichter die Netzankopplung, die allerdings für die volle zu übertragende Leistung ausgelegt werden müssen. Im Gleich- bzw. Wechselrichter einsetzbar Das LEM-Produktprogramm bietet für diese Anwendung dynamische Kompensationswandler, die im Gleich- bzw. Wechselrichter einsetzbar sind. Für den Einsatz in rauen Umgebungen sind auch vergossene Ausführungen erhältlich. Alle für die genannten Einsätze geeigneten Stromwandler der LF-Serie zeichnen sich bei Raumtemperatur durch ein Gleichtaktverhalten sowie eine Genauigkeit von 0,3% (bezogen auf den Nominalwert) aus. Das Arbeitsprinzip der geschlossenen Regelschleife hat noch einen weiteren Vorteil: Es lassen sich Stromwandler mit schnellem Reaktionsverhalten umsetzen, mit denen man die Leistungshalbleiter in den Umrichtern gegen Kurzschluss schützen kann. Dies ist unter Umständen ein Vorteil für den Betrieb von Windkraftanlagen in Offshore-Installationen, da bei diesen eine Wartung schließlich nicht nur schwierig, sondern auch teuer ist. Stromwandler muss man daher als einen unverzichtbaren Bestandteil moderner Windkraftanlagen betrachten.
LEM Deutschland GmbH
