CH697550B1

CH697550B1 - Verfahren zur Steuerung eines Frequenzkonverters.

Info

Publication number: CH697550B1
Application number: CH00571/05A
Authority: CH
Inventors: Martin Veenstra
Original assignee: Alstom Technology Ltd
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2008-11-28
Also published as: US20060268587A1; US7525824B2; DE102006012828A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Steuerung eines statischen Frequenzkonverters (5), bei welchem eine in einem Generator (3) erzeugte Wechselspannung (Ug) mit einer ersten Frequenz (?g) zunächst in einem geschalteten Gleichrichter (6) gleichgerichtet wird, und die so in einem Zwischenkreis (8) vorhandene Gleichspannung in einem geschalteten Wechselrichter (7) in Wechselspannung (Un) mit einer Netzfrequenz (?n) gewandelt wird, wobei es sich beim Generator (3) um einen Generator mit wenigstens einer Erregerspule handelt, und wobei zur Steuerung der in das Netz (4) eingespeisten Leistung Mittel angeordnet sind, mit welchen wenigstens die Stärke des von der wenigstens einen Erregerspule erzeugten Erregerfeldes und ggf. zusätzlich die Phasenlage zwischen Frequenzkonverterspannung und Generator- respektive Netzspannung (Un) geregelt wird. Eine einfache und stabile Steuerung des Frequenzkonverters ist möglich, indem die generatorseitige Wechselspannung (Ur) des Gleichrichters (6) in ihrer Frequenz (?r) auf einen im Wesentlichen konstanten Wert der ersten Frequenz (?g) geregelt wird, und die Steuerung im Wechselrichter (7) auf Basis des gemessenen Wertes der Gleichspannung (uc) im Zwischenkreis (8) geführt wird.

Description


  Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines statischen Frequenzkonverters, bei welchem in einem Generator erzeugte Wechselspannung mit einer ersten Frequenz zunächst in einem geschalteten Gleichrichter gleichgerichtet wird, und die so in einem Zwischenkreis vorhandene Gleichspannung in einem geschalteten Wechselrichter in Wechselspannung mit einer Netzfrequenz gewandelt wird, wobei es sich beim Generator um einen Generator mit wenigstens einer Erregerspule handelt.

Stand der Technik

[0002] Grosse Kraftwerke für die Erzeugung von Elektrizität umfassen normalerweise einen Synchrongenerator, welcher direkt mit dem elektrischen Netz verbunden ist.

   Der Generator wird durch eine Turbine angetrieben, wobei es sich dabei um eine Gasturbine, eine Dampfturbine oder um eine Wasserturbine handeln kann.

[0003] Infolge der Tatsache, dass der Generator direkt mit dem Netz verbunden ist, ist die Geschwindigkeit des Generators vorgegeben und konstant. Problematisch an dieser Tatsache ist, dass die optimale Geschwindigkeit der Turbine normalerweise nicht die gleiche ist wie jene des Generators, und entsprechend wird häufig zwischen Turbine und Generator ein mechanisches Getriebe angeordnet. Dies gilt insbesondere für Gasturbinen, deren optimale Betriebsgeschwindigkeit wesentlich höher ist als die Netzfrequenz.

   Im Falle von Wasserturbinen mit niedriger Geschwindigkeit kann eine wenigstens teilweise Anpassung durch die Verwendung eines Generators mit der entsprechenden Anzahl von Polen erreicht werden.

[0004] Ein solches Getriebe ist empfindlich und teuer in der Herstellung, wenn grosse Leistungen übersetzt werden sollen, und erfordert zudem aussergewöhnliche Unterhaltsaufwendungen. Ausserdem kann in den höchsten Leistungsbereichen kein Getriebe verwendet werden, weshalb die Auslegung der Turbine und deren Betriebsweise ausserhalb des Optimums gewählt werden muss. Weiterhin ist die optimale Geschwindigkeit der Turbine abhängig von der anliegenden Last, und die optimale Effizienz bei unterschiedlicher Last kann nur gewährleistet werden, wenn die Turbine bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden kann.

   Unglücklicherweise ist dies bei einer starren Anordnung nicht möglich.

[0005] Um diese Probleme zu umgehen, beschreibt beispielsweise die DE 10 330 473 A1 die Möglichkeit, die starre Verbindung unter Verwendung eines Getriebes durch eine flexible elektronische Lösung zu ersetzen. Die Turbine wird direkt an den Synchrongenerator angekoppelt, dieser ist aber über einen Frequenzkonverter mit dem Netz verbunden (vergleiche Fig. 1 in DE 10 330 473 A1).

   Um Harmonische zwischen Generator und dem Netz effizient zu entkoppeln, wird ein vollständig geregelter Spannungszwischenkreis-Konverter (voltage source converter) mit einem gesteuerten Gleichrichter (maschinenseitiger Konverter), einem kapazitiven Zwischenkreis und einem gesteuerten Wechselrichter (netzseitiger Konverter) verwendet.

[0006] Um exzessive Schaltverluste zu vermeiden, wird der Konverter im Rechteckmodus betrieben, wobei die Schaltfrequenz der Grundfrequenz entspricht. In diesem Fall kann nur die Frequenz zwischen Eingangs- und Ausgangspannung variiert werden, nicht aber deren Amplitude (deshalb der Name Frequenzkonverter).

   Die Anpassung der Amplitude der Spannung kann durch die Erregung des Generators erreicht werden, wie dies bei der klassischen Anordnung mit einer direkten Verbindung zwischen Generator und Netz üblich ist.

[0007] Die erzeugte Wirkleistung und Blindleistung können durch die Erregung des Generators kontrolliert werden, genauso wie die Phasenverschiebung zwischen dem Generator und den Spannungen des Gleichrichters sowie zwischen dem Wechselrichter und den Netzspannungen.

   Obwohl in der DE 10 330 473 A1 diese grundsätzlichen Prinzipien der Betriebsweise eines solchen Konverters beschrieben werden, ist in diesem Dokument keine spezifische Strategie oder Struktur für die Ansteuerung des Konverters angegeben, da unterschiedliche Lösungen möglich sind.

Darstellung der Erfindung

[0008] Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine stabile und einfache Möglichkeit der Steuerung eines statischen Frequenzkonverters zur Verfügung zu stellen. Dies im Zusammenhang mit einem Frequenzkonverter, bei welchem eine in einem Generator erzeugte Wechselspannung mit einer ersten Frequenz zunächst in einem geschalteten Gleichrichter gleichgerichtet wird, und die so in einem Zwischenkreis vorhandene Gleichspannung in einem geschalteten Wechselrichter in Wechselspannung mit einer Netzfrequenz gewandelt wird.

   Dabei weist der Generator wenigstens eine Erregerspule auf, welche geregelt angesteuert werden kann. Dies bedeutet, dass zur Steuerung der in das Netz eingespeisten Leistung Mittel angeordnet sind, mit welchen wenigstens die Stärke des von der wenigstens einen Erregerspule erzeugten Erregerfeldes und gegebenenfalls zusätzlich die Phasenlage zwischen Frequenzkonverterspannung und Generator- respektive Netzspannung geregelt wird.

[0009] Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass die Steuerung des Frequenzkonverters im Gleichrichter derart geführt wird, dass die generatorseitige Wechselspannung des Gleichrichters in ihrer Frequenz auf einen im Wesentlichen konstanten Wert der ersten Frequenz geregelt wird,

   und die Steuerung im Wechselrichter auf Basis eines gemessenen Wertes der Gleichspannung im Zwischenkreis geführt wird.

[0010] Gemäss der Erfindung wird somit der Frequenzkonverter gewissermassen zur Seite des Generators hin auf fixierter Frequenz gehalten, und die Regelung der Frequenz ausschliesslich zur Seite des Netzes vorgesehen. Weiter unten im Detail erläuterte Symmetrieüberlegungen zeigen, dass eine derartige Steuerung überraschend einfach möglich ist, indem als Regelparameter die Gleichspannung im Zwischenkreis verwendet wird, bevorzugt die im Zwischenkreis über den Kapazitäten anliegenden Spannungen.

[0011] Selbstverständlich kann die Frequenz der Turbine und/oder des Generators beispielsweise für Teillast eingestellt werden, um nach wie vor im optimalen Betriebsbereich fahren zu können.

   In dieser Situation steht für die Einstellung einer anderen Frequenz viel Zeit zur Verfügung. Dementsprechend kann die Steuerung des Gleichrichters bei einer solchen Umstellung der Frequenz der Turbine und/oder des Generators quasi-statisch (das heisst dynamisch, aber unter derart langsamen Veränderungen des Zustandes, dass man nahe beim stationären Zustand bleibt) angepasst werden.

[0012] Gemäss einer ersten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird die Steuerung im Wechselrichter derart geführt, dass die netzseitige Frequenz des Wechselrichters nach folgender Funktion geregelt wird
omega i=omega n+delta omega 
wobei die Funktion delta omega , die Frequenzdifferenz zwischen der Frequenz des Wechselrichters omega i und des Netzes omega n, gegeben ist durch
 <EMI ID=2.0> 
wobei Kp eine vorgegebene, proportionale Kontrollverstärkung ist,

   und wobei uc* ein Referenzwert der Kapazitätsspannung ist, welcher in Abhängigkeit der gewünschten Blindleistung, ggf. dynamisch, gewählt wird. Der Referenzwert uc* kann dabei nach der unten angegebenen Formel (41) i.V.m. Formel (3) eingestellt werden, wobei in Formel (3) û1 durch Ui nach Formel (41) ersetzt wird.

[0013] Typischerweise ist somit im Gleichgewichtszustand der Wert von delta omega  gleich null, da die Frequenz des Wechselrichters und des Netzes in diesem Zustand gleich sein sollte.

   Dabei kann die Funktion delta omega , bevorzugt unter zusätzlicher Berücksichtigung der Dämpfung, mit einer vorgegebenen differenziellen Kontrollverstärkung KD zur Steuerung im Wechselrichter verwendet werden, dies konkret nach der Formel:
 <EMI ID=3.0> 

[0014] Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des von der wenigstens einen Erregerspule erzeugten Erregerfeldes und dessen Phasenlage über eine Erregerspannung eingestellt wird, welche in Funktion der Generatorspannung, der Generatorfrequenz, der Wirkleistung und der Blindleistung des Generators gesteuert wird.

   Dies geschieht bevorzugt nach einer in Fig. 8 visualisierten und aus den Formeln (25)-(38) ableitbaren Gleichung.

[0015] Gemäss einer weiteren Ausführungsform handelt es sich beim Frequenzkonverter um einen Dreistufenumrichter, wobei zur Regelung bevorzugt die Gleichspannung im Dreiniveau-Zwischenkreis als Mittelwert der über den beiden Kapazitäten zwischen den beiden Niveaus + und 0 sowie den beiden Niveaus 0 und - anliegenden Spannungen ermittelt wird.

[0016] In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden der gesteuerte Gleichrichter und/oder der gesteuerte Wechselrichter in Grundfrequenztaktung betrieben, wobei es sich beim gesteuerten Gleichrichter bevorzugt um einen Drei-Niveau-Gleichrichter und beim gesteuerten Wechselrichter bevorzugt um einen Drei-Niveau-Wechselrichter handelt,

   welche beide in Grundfrequenztaktung betrieben werden.

[0017] Typischerweise ist der statische Frequenzkonverter in einer Bauweise ausgebildet, welche geschaltete Thyristoren wie beispielsweise GTO's, IGBT's, MOSFET's, oder IGCT's, umfasst.

[0018] Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerung angeordnet ist, welche über die Messung von Spannung und/oder Strom vor und/oder hinter dem statischen Frequenzkonverter eine Anpassung der ins Netz eingespeisten Amplitude der Wechselspannung durch eine entsprechende Ansteuerung der Mittel zur Steuerung der Stärke des von der Erregerspule erzeugten Erregerfeldes vornimmt.

[0019] Wie bereits erwähnt, umfasst die vorliegende Erfindung zudem eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens, wie es oben beschrieben wurde.

   Die Vorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator mit wenigstens einer regelbaren Erregerspule, einem statischen Frequenzkonverter umfassend wenigstens einen gesteuerten Gleichrichter in Grundfrequenztaktung und wenigstens einen gesteuerten Wechselrichter in Grundfrequenztaktung, sowie wenigstens einer Steuerung zur Regelung dieser Elemente ausgestattet ist. Zusätzlich sind Mittel zur Messung von Werten der Gleichspannung im Zwischenkreis angeordnet, wobei diese gemessenen Werte zur Steuerung im Wechselrichter verwendet werden.

   Die Ansteuerung der regelbaren Erregersspule weist Mittel zur Anpassung der Amplitude der zur Erregung verwendeten Wechselspannung an die Erfordernisse des Netzes auf.

[0020] Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Kurze Erläuterung der Figuren

[0021] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung eines Kraftwerkes unter Verwendung einer Getriebeanordnung;


  <tb>Fig. 2<sep>eine schematische Darstellung eines Kraftwerkes unter Verwendung eines statischen Frequenzkonverters;


  <tb>Fig. 3<sep>(a) ein Schaltbild und (b) eine Vektordarstellung von zwei Spannungsquellen mit den Spannungen U und E, die über eine Induktivität verbunden sind;


  <tb>Fig. 4<sep>die Ausgangsspannungswellenform und die fundamentale Komponente eines im Rechteckmodus betriebenen Dreistufenumrichters;


  <tb>Fig. 5<sep>ein schematisches Schaltbild des Kraftwerkes;


  <tb>Fig. 6<sep>eine Schemadarstellung der Regelung nach der Erfindung;


  <tb>Fig. 7<sep>einen Modulator, wie er in Fig. 6 schematisch dargestellt ist, im Detail;


  <tb>Fig. 8<sep>schematische Darstellung der Implementierung der gesteuerten Erregerspannung;


  <tb>Fig. 9<sep>Resultate der Simulation: mechanischer Anteil des Generators;


  <tb>Fig. 10<sep>Resultate der Simulation: elektrischer Anteil des Generators;


  <tb>Fig. 11<sep>Resultate der Simulation: Netz; und


  <tb>Fig. 12<sep>Resultate der Simulation: Wellenformen von Spannung und Strom auf der Seite des Generators und auf der Seite des Netzes.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0022] Wie bereits erläutert, wird in konventionellen Kraftwerken, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt, eine Turbine 1 mit einem Generator 3 über ein auf einer gemeinsamen Welle angeordnetes Getriebe 2 direkt verbunden. Der Generator ist anschliessend direkt oder über einen Transformator mit dem Netz 4 verbunden. Die Nachteile einer solchen Lösung sind bereits oben erläutert worden.

[0023] Im Gegensatz dazu verwendet die hier vorgeschlagene Lösung einen Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. In diesem Fall ist die Turbine 1 über die Welle direkt und starr mit dem Generator 3 verbunden.

   Die vom Generator 3 erzeugte Wechselspannung (typischerweise drei Phasen) wird anschliessend in einem Frequenzkonverter 5 gewandelt und auf die Frequenz des Netzes 4 angepasst. Der Frequenzkonverter 5 besteht dabei aus einem Gleichrichter 6 (rectifier), welcher aus dem vom Generator zur Verfügung gestellten Wechselstrom einen Gleichstrom erzeugt.

   Dies erfolgt mittels Leistungselektronik, das heisst auf Basis von geschalteten Thyristoren, wie beispielsweise GTO's, IGBT's, MOSFETs, oder IGCT's.

[0024] Die im nachgeschalteten Zwischenkreis 8 anliegende Gleichspannung (zwischen den beiden Niveaus des Zwischenkreises ist dabei jeweils eine Kapazität C angeordnet) wird in einem nächsten Schritt in einem Wechselrichter 7 wiederum in Wechselspannung gewandelt, und zwar mit einer an das Netz angepassten Frequenz.

[0025] Die Eigenschaften und das Verhalten von elektrischen Maschinen werden ausführlich in der Literatur behandelt, so beispielsweise in C.-M. Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery, 1st Ed. Upper Saddle River, N.J.: Prentice Hall, 1998, oder in J. Chatelain, Machines électriques in Traités d'Electricité, 1st Ed. Lausanne (CH): Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 1983, Vol. X.

   In der Folge soll nur das grundlegende Verhalten in vereinfachter Form und unter Vernachlässigung von Verlusten betrachtet werden, da dieses genügt, um die Prinzipien der vorgeschlagenen Strategie der Regelung eines Frequenzkonverters zu erläutern. Entsprechend wird vorliegend von Maschinen ausgegangen, in welchen eine vollständige Konversion von mechanischer Energie in elektrische Energie stattfindet, und die Leistungselektronik eine verlustfreie Umwandlung von Gleichstromenergie zu Wechselstromenergie (und umgekehrt) vornimmt.

[0026] Elektrische Maschinen und das Netz sind in der Hauptsache induktiv. Entsprechend kann die Wechselwirkung zwischen Maschine, Spannungszwischenkreis-Konverter (respektive Frequenzkonverter) und dem Netz durch zwei Spannungsquellen mit den Spannungen E und U modelliert werden, welche über eine Induktivität L miteinander verbunden sind.

   Diese Situation ist schematisch in Fig. 3a) dargestellt. Das in Fig. 3b) dargestellte Vektordiagramm zeigt die Beziehungen zwischen den beiden Spannungen E und U sowie dem Strom I, welcher durch die Induktivität L fliesst, dies für sinusförmige Signale mit einer Kreisfrequenz omega . Für einen Kreis mit einer einzigen Phase werden folgende Ausdrücke für die Wirkleistung P und die Blindleistung Q, wie sie bei der Spannungsquelle auftreten, erhalten:
 <EMI ID=4.0> 

 <EMI ID=5.0> 

[0027] Das Vektordiagramm zeigt auch, wie der Vektor der Spannung E verändert werden muss, um die Wirkleistung P und/oder die Blindleistung Q zu verändern.

   Für kleine Werte des Verschiebungswinkels delta  ist die Wirkleistung P im Wesentlichen durch den Winkel delta  bestimmt, während die Blindleistung Q hauptsächlich durch die Amplitude von E bestimmt wird.

[0028] In Fig. 4 ist die von einem im Rechteckmodus betriebenen Dreistufenumrichter erzeugte Wellenform der Ausgangsspannung dargestellt. Die Amplitude ist gleich der Spannung uc über der Kapazität im Zwischenkreis.

   Die Amplitude ûi der Grundwelle u1 ist proportional zur Spannung über der Kapazität, mit einem Modulationsindex m, welcher vom Kommutierungswinkel alpha  abhängt:
 <EMI ID=6.0> 

 <EMI ID=7.0> 

[0029] Ein Kommutierungsniveau ualpha  kann definiert werden, welches gleich der Grundwelle an den Momenten der Kommutierung ist:
<tb>ualpha  = û1 cos alpha <sep>(5)

[0030] Für den Kommutierungswinkel alpha  sollte ein optimaler Werte in Bezug auf die erzeugten Harmonischen gewählt werden. Minimale Harmonische werden erhalten um einen Wert von
 <EMI ID=8.0> 

[0031] Dieses Minimum ist ziemlich flach, entsprechend geben Variationen im Bereich von +- 5 deg. immer noch eine gute Leistung.

[0032] Unter stationären Bedingungen des Betriebs ist die Wirkleistung P vollständig durch das mechanische Drehmoment Tm, welches von der Turbine geliefert wird, bestimmt.

   Das Verhalten wird durch die dynamische Bewegungsgleichung
 <EMI ID=9.0> 
bestimmt, wobei J das Trägheitsmoment, omega m die mechanische Kreisfrequenz des Generators, und Te das elektromagnetische Drehmoment sind. Die Beziehungen zwischen Leistung und Drehmoment sind wie folgt gegeben
<tb>Pm = omega mTm,<sep>(8)


  <tb>Pe = omega mTe.<sep>(9)wobei Pm die mechanische Leistung und Pe die elektromagnetische Leistung sind.

[0033] In einer zylindrischen Synchronmaschine kann das elektromagnetische Drehmoment im Gleichgewicht ausgedrückt werden als
 <EMI ID=10.0> 
wobei Xd die synchrone Reaktanz der d-Achse ist, Tk das (von der Erregung abhängige) Kippmoment, und delta  der Lastwinkel ist, welcher dem oben genannten Verschiebungswinkel zwischen Rotor und Netz entspricht. Die Blindleistung Q wird durch die Erregung bestimmt, hängt aber auch von der Wirkleistung P ab.

[0034] Das dynamische Verhalten der Maschine kann beschrieben werden als "Spannung hinter der transienten Reaktanz" mit einem Dämpfungsterm.

   Für kleine Werte der Variation der Geschwindigkeit ist das dämpfende Drehmoment näherungsweise proportional zur Geschwindigkeit, und das resultierende elektromagnetische Drehmoment kann angenähert werden als
 <EMI ID=11.0> 
wobei X ¾d die transiente Reaktanz der d-Achse ist, E ¾ die entsprechende Spannung der Erregung, T ¾k das dynamische Kippmoment und D der Dämpfungskoeffizient.

[0035] Verwendet man nun die Differenz der Frequenz von Rotor und Netz unter Berücksichtigung der Anzahl p von Polpaaren gemäss
<tb>delta omega  = pomega m - omega n<sep>(12)so kann der Lastwinkel oder Verschiebungswinkel delta  ausgedrückt werden als
 <EMI ID=12.0> 

[0036] Die dynamische Bewegungsgleichung (7) kann nun geschrieben werden als
 <EMI ID=13.0> 

[0037] Dieses Resultat ist bekannt als "Schwingungsgleichung" (swing equation)

  .

[0038] Wendet man dieses Resultat nun auf einen Aufbau gemäss Fig. 2 an, so sind folgende zusätzlichen Überlegungen erforderlich: im Aufbau gemäss Fig. 2 ist ein Frequenzkonverter 5 zwischen den Generator 3 und das Netz 4 geschaltet. Infolge der Spannungszwischenkreis-Charakteristik des vorgeschlagenen Konverters 5 kann seine Ankopplung an den als Synchrongenerator ausgebildeten Generator 3 sowie jene an das Netz 4 gleichermassen entsprechend Fig. 3 dargestellt werden.

[0039] Im ersten Fall wirkt der Gleichrichter 6 gewissermassen als Netz für den Generator. Wird der Gleichrichter bei einer konstanten Frequenz omega r geregelt, so resultiert die gleiche Maschinendynamik und -betriebsweise wie oben erläutert. Die Frequenz des Gleichrichters kann aber in einer quasi-stationären Weise angepasst werden, um eine optimale Betriebsweise von Turbine und Generator zu erlauben.

   Auf der Wechselstromseite, das heisst zum Generator, erzeugt der Gleichrichter 6 eine Spannung, deren Wert Ur proportional ist zur Spannung uc über der Kapazität C im Zwischenkreis 8. Zur Gleichstromseite liefert der Gleichrichter einen Strom ir, welcher der gewandelten Leistung Pr
 <EMI ID=14.0> 
entspricht, welche der elektromagnetischen Leistung Pe, welche vom Generator zur Verfügung gestellt wird, entspricht.

[0040] Im zweiten Fall entspricht die Spannungsquelle E der Spannung des Wechselrichters 7 auf seiner Wechselstromseite. Seine Frequenz omega i auf der Wechselstromseite kann vollständig geregelt werden, und die Grösse der Spannung Ui ist proportional zur Spannung uc über der Kapazität im Zwischenkreis 8. Die Spannungsquelle U entspricht dem Netz, dessen Spannung Un sowie dessen Frequenz omega n normalerweise fest vorgegeben sind.

   Die Induktivität L wird durch den Transformator 16 sowie Induktivitäten im Netz und gegebenenfalls zusätzliche Induktivitäten von Filtern gebildet.

[0041] Auf der Gleichstromseite zieht der Wechselrichter einen Strom ii, welcher der gewandelten Leistung Pi
 <EMI ID=15.0> 
entspricht, welche an das Netz 4 abgegeben wird. Im Ausdruck für diesen Strom ii
 <EMI ID=16.0> 
steht Ik für einen maximalen oder Durchbruchstrom.

[0042] Der Unterschied zwischen den Strömen (oder der Leistung) von Gleichrichter und Wechselrichter fliesst durch die Kapazität C im Zwischenkreis 8 und lädt ihn auf gemäss
 <EMI ID=17.0> 

[0043] Dieses Verhalten gemäss Formel (18) zusammen mit den Formeln (15), (16) und (17) hat die gleiche Form wie jenes, welches gemäss Formel (7), (8), (9) und (10) die Bewegung des Generators beschreibt.

   Entsprechend existiert eine Dualität zwischen der Spannung über der Kapazität C und der Frequenz des Generators 3, zwischen dem Strom im Zwischenkreis 8 und dem Drehmoment, sowie zwischen Kapazität C und Trägheitsmoment.

[0044] Um ein solches System nun wie ein konventionelles System erscheinen zu lassen, kann eine neue Strategie der Regelung verwendet werden, welche dem Frequenzkonverter ähnliche Eigenschaften verleiht wie einem Synchrongenerator.

   Folgt man der erwähnten Dualität, so kann dies erreicht werden, indem die Frequenzdifferenz delta omega , welche definiert ist als
 <EMI ID=18.0> 
proportional zum Fehler respektive zu Abweichung der Spannung über der Kapazität C gesetzt wird, dies gemäss
 <EMI ID=19.0> 

[0045] Dabei ist uc* ein Referenzwert für die Spannung über der Kapazität C.

[0046] Der Referenzwert uc* ist letzten Endes aus der vom Betreiber des Kraftwerks gewünschten Blindleistung abzuleiten und kann auch dynamisch eingestellt werden. Zur Ermittlung von uc* kann beispielsweise folgende Formel, welche auf der Formel (3) in Kombination mit Formel (4) beruht, verwendet werden
<tb>uc* = Ui/m = pi  Ui / (4 sinalpha )<sep>(20a).

[0047] Dabei kann als Kommutierungswinkel alpha  ein Wert verwendet werden, welcher in Bezug auf die Harmonischen optimiert ist (vgl. Formel 6).

   Zur Bestimmung der Wechselspannung Ui des Wechselrichters 7 kann die weiter unten diskutierte Formel (41) eingesetzt werden, so dass dann der Referenzwert uc* als Funktion von alpha , Un, omega n, L, Qn und Pn formuliert ist. Die Werte der Wechselspannung Un des Netzes sowie der Kreisfrequenz omega n des Netzes werden dabei vom Netz vorgegeben und können nicht frei gewählt werden. Die Blindleistung Qn und die Wirkleistung Pn des Netzes können vom Kraftwerksbetreiber eingestellt werden, wobei insbesondere Pn von Netz- und Transformatorinduktivität (wie L) sowie vom Turbinendrehmoment beeinflusst ist.

   Ein im Prinzip gewünschter Zielwert von uc* wird also zunächst fix vorgegeben.

[0048] Kp ist eine proportionale Kontrollverstärkung und wird ebenfalls fix vorgegeben.

[0049] Um zusätzlich das System etwas zu dämpfen, kann ein entsprechender Term mit einer differenziellen Kontrollverstärkung KD hinzugefügt werden:

  
 <EMI ID=20.0> 

[0050] Auch der Wert von KD wird fix vorgegeben, und die Werte für KP und KD werden derart gewählt, dass das System schnell reagiert, nach Übergängen keine starken Schwingungen zeigt und möglichst wenig Harmonische aufweist.

[0051] Der Ausdruck für den Verschiebungswinkel delta  ¾ kann nun geschrieben werden als
 <EMI ID=21.0> 

[0052] Für kleine Werte der Dämpfung KD kann der Strom im Zwischenkreis gemäss Formel (17) angenähert werden durch
 <EMI ID=22.0> 

[0053] Unter Verwendung dieser Gleichungen erhält man für das Verhalten gemäss Formel (18) im Zwischenkreis folgenden Ausdruck:

  
 <EMI ID=23.0> 
was ein Resultat ist ähnlich dem der Schwingungsgleichungen des Generators gemäss Formel (14) ist.

[0054] Um die Regelung vorzunehmen, wird die Formel (20), respektive unter Berücksichtigung der Dämpfung die Formel (21), aufgelöst als
<tb>omega i = omega n + delta omega <sep>und der Wechselrichter 7 derart angesteuert, dass er eine Frequenz omega i zum Netz zeigt. Der Gleichrichter 6 wird, wie oben erläutert, auf der festen Frequenz omega r eingestellt.

[0055] Die Regelung soll nun anhand der Fig. 5-8 erläutert werden.

[0056] In Fig. 5 ist der elektrische Schaltkreis dargestellt, welcher als Basis für die nachfolgenden Überlegungen dienen soll. Dargestellt ist ein Generator 3, dessen Erregerspannung über eine Erregerspeisung 9 eingestellt wird.

   Die Erregerspeisung 9 stellt eine Erregerspannung Uf sowie einen Erregerstrom if in geregelter Weise zur Verfügung. Der einzustellende Eingangswert der Erregerspannung Uf wird weiter unten erläutert werden.

[0057] Auf den Generator wirkt das mechanische Drehmoment Tm der Turbine, was zur Kreisfrequenz omega m (in Fig. 5 omega m) des Generators 3, zur Winkel-Position thm im Rotor (Phase), zum elektromagnetischen Drehmoment Te und zum Magnetfluss Ydq führt.

[0058] Der Generator 3 übergibt die erzeugte elektrische Energie in Form von drei Phasen. Eine Messvorrichtung 10 stellt dabei die Werte der Spannung des Generators Ug sowie des Stroms des Generators ig zur Verfügung. Die drei Phasen werden nun dem Gleichrichter 6 zugeführt. Der Gleichrichter 6 wird über ein Steuersignal sg gesteuert.

   Dieser wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom, wobei der Gleichstrom in diesem Dreistufenumrichter im Zwischenkreis 8 auf drei Niveaus gehalten wird, nämlich auf dem (+)-Niveau gemäss Bezugszeichen 12, dem (0)-Niveau gemäss Bezugszeichen 13 und dem (-)-Niveau gemäss Bezugszeichen 14 (vgl. auch Fig. 4). Zwischen den Niveaus 12 und 13 sowie 13 und 14 ist jeweils eine Kapazität C1 beziehungsweise C2 angeordnet. Die Spannungen über diesen beiden Kapazitäten werden an Messpunkten 15 abgegriffen und für die Regelung zur Verfügung gestellt.

[0059] Die drei Niveaus des Gleichstroms werden anschliessend im Wechselrichter 7, welcher über ein Steuersignal sn geregelt wird, in Wechselstrom überführt.

   Die drei Phasen dieses Wechselstroms werden mittels einer Messvorrichtung 11 überwacht, das heisst es wird die Wechselspannung Un des Netzes sowie der an das Netz abgegebene Strom überwacht. Anschliessend folgt nach einem Transformator 16 das Netz 4.

[0060] Die Regelung einer solchen Vorrichtung ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Als einziger Parameter, auf welchen geregelt wird, wird der Messwert der Gleichspannung uc im Zwischenkreis 8 verwendet, wobei es sich dabei, wie ganz oben ersichtlich, um den Mittelwert der beiden an den Messpunkten 15 abgegriffenen Spannungen handelt (uc=1/2(uc1+uc2)).

   Fest (oder dynamisch) vorgegeben wird der Referenzwert der Kapazitätsspannung uc* sowie der Wert von phg* (Generatorphase, wird zur Einstellung der Blindleistung verwendet) und der Wert von tt* (entspricht dem mechanischen Drehmoment Tm* der Turbine, Einstellung der Wirkleistung).

[0061] Wie bereits weiter oben erläutert, wird der Gleichrichter 6 auf eine feste Frequenz eingestellt. Entsprechend kann in Fig. 6 erkannt werden, wie die Steuerungssignale sg für den Gleichrichter 6 auf Basis des fest vorgegebenen Wertes der Generatorfrequenz omega g (entspricht in Fig. 6 wg) nach entsprechender Einstellung der Phasenverschiebung ph3 (-0, -120, -240) für die drei vorhandenen Phasen und Auswertung einer Sinusfunktion in einem Modulator 18 erzeugt werden (zu den Details vergleiche weiter unten).

   Bei der Steuerung des Gleichrichters 6 wird also nicht auf den Regelparameter uc Bezug genommen.

[0062] Auch die Einstellung der Erregerspannung Uf findet ohne Bezugnahme auf den Wert von uc statt. Wie im unteren Teil von Fig. 6 dargestellt, werden zur Einstellung der Erregerspannung Uf als Eingangswerte nur phg* und tt*, uc* sowie omega g und Ug verwendet, wobei diese gemäss den weiter unten diskutierten Formeln (25)-(36), visualisiert in Fig. 8, ausgewertet werden.

[0063] Mit anderen Worten wird die Erregerspannung Uf als Funktion der gewünschten Blindleistung Q, der Wirkleistung P, der Generatorspannung Ug und der Generatorfrequenz omega g eingestellt. Zu den Details der Formel für die Erregerspannung Uf vgl. weiter unten, insbesondere Fig. 8.

[0064] Der wesentliche Kern der Regelung findet nun in Bezug auf die Steuerung des Wechselrichters 7 statt.

   In diesem Fall wird der Messwert der Gleichspannung uc im Zwischenkreis 8 mit den nach der Kreisfrequenz omega i des Wechselrichters 7 aufgelösten integrierten Formeln (19)-(21) ausgewertet.

[0065] Dies bedeutet, dass zunächst die Differenz uc-uc* gebildet wird, diese Differenz anschliessend sowohl mit der proportionalen Kontrollverstärkung Kp als auch mit der differenziellen Kontrollverstärkung KD multipliziert wird, und anschliessend das Produkt mit KP integriert wird und der KD-Ausdruck durch die Integration hindurchgeschoben wird, um den Phasenwinkel für die Steuerung des Wechselrichters 7 zu erhalten. Wiederum wird dafür am Ende die Phasenlage für die drei Phasen über die Phasenverschiebung ph3 eingestellt und der entsprechende Wert nach Auswertung mit einer Sinusfunktion einem Modulator 17 übergeben.

   Der Modulator 17 erzeugt daraus ein Steuersignal sn für den Wechselrichter 7.

[0066] Die generelle Pulsbreite der Rechteckblöcke wird über einen Wert ua (commutation level) vorgegeben, wobei versucht wird, Oberwellen möglichst zu vermeiden (vgl. auch Formeln 3-6). Der Wert von ua entspricht also dem gewünschten Kommutierungswinkel.

[0067] Im Modulator 17 beziehungsweise im Modulator 18 werden die Signale sn beziehungsweise die Signale sg nach folgendem Schema (vergleiche Fig. 7) erzeugt:
<tb>u* > ua<sep>--><sep>s = 1


  <tb>-ua <= u* <= ua<sep>--><sep>s = 0


  <tb>u* < -ua<sep>--><sep>s = -1.

[0068] Die Regelung wurde auf Basis von typischen Referenzwerten für einen Turbogenerator und einen Transformator mit realistischen Werten für Kapazitäten im Zwischenkreis ermittelt, wobei die in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Parameter verwendet wurden:

Tabelle 1: Systemparameter der Simulation

[0069] 
<tb>Beschreibung<sep>Variable<sep>Wert<sep>Einheit


  <tb>Maschine<sep><sep><sep>


  <tb>Scheinbare Leistung<sep>S<sep>73.8<sep>MVA


  <tb>Leistung<sep>P<sep>59.0<sep>MW


  <tb>Spannung<sep>U<sep>11.5<sep>kV


  <tb>Strom<sep>I<sep>3.705<sep>kA


  <tb>Leistungsfaktor<sep>cos   <sep>0.80<sep>


  <tb>Frequenz<sep>f<sep>85<sep>Hz


  <tb>Anzahl Polpaare<sep>p<sep>1<sep>


  <tb>Basisimpedanz<sep>Z<sep>1.792<sep>omega 


  <tb>Statorwiderstand<sep>Rs<sep>0.0035<sep>p.u.


  <tb>Stator-leck-reaktanz<sep>Xls<sep>0.160<sep>p.u.


  <tb>d-Achsen synchrone Reaktanz<sep>Xd<sep>2.47<sep>p.u.


  <tb>q-Achsen synchrone Reaktanz<sep>Xq<sep>2.28<sep>p.u.


  <tb>d-Achsen transiente Reaktanz<sep>X ¾d<sep>0.239<sep>p.u.


  <tb>q-Achsen transiente Reaktanz<sep>X ¾q<sep>0.390<sep>p.u.


  <tb>d-Achsen subtransiente Reaktanz<sep>X ¾ ¾d<sep>0.181<sep>p.u.


  <tb>q-Achsen subtransiente Reaktanz<sep>X ¾ ¾q<sep>0.190<sep>p.u.


  <tb>Transiente Offenkreis-Zeitkonstante der d-Achse<sep>T ¾do<sep>6.65<sep>s


  <tb>Transiente Offenkreis-Zeitkonstante der q-Achse<sep>T ¾qo<sep>0.78<sep>s


  <tb>Subtransiente Offenkreis-Zeitkonstante der d-Achsen<sep>T ¾ ¾do<sep>0.018<sep>s


  <tb>Subtransiente Offenkreis-Zeitkonstante der q-Achsen<sep>T ¾ ¾qo<sep>0.027<sep>s


  <tb>Zeitkonstante des Trägheitsmomentes<sep>TJ<sep>0.80<sep>s


  <tb>Netz<sep><sep><sep>


  <tb>Spannung<sep>U<sep>11.5<sep>kV


  <tb>Frequenz<sep>f<sep>50<sep>Hz


  <tb>Transformator<sep><sep><sep>


  <tb>Wicklungsverhältnis<sep>n<sep>1<sep>


  <tb>Widerstand<sep>R<sep>0.005<sep>p.u.


  <tb>Induktivität<sep>L<sep>0.20<sep>p.u.


  <tb>Magnetisierungsinduktivität<sep>Lm<sep>100<sep>p.u.


  <tb>Umrichter<sep><sep><sep>


  <tb>Zwischenkreiskapazität< (a)><sep>C<sep>25<sep>p.u.


  <tb>Steuerung<sep><sep><sep>


  <tb>Kommutierungswinkel<sep>alpha <sep>74<sep><o>


  <tb>Proportionaler Verstärkungsfaktor<sep>KP<sep>0.2<sep>p.u.


  <tb>Differentieller Verstärkungsfaktor<sep>KD<sep>0.2<sep>p.u.(a) totale gespeicherte Energie entspricht 35 J/kVA

Tabelle 2: Nominalwerte der Simulation im per unit-System <(b)>

[0070] 
<tb>Beschreibung<sep>Variable<sep>Wert


  <tb>Maschine<sep><sep>


  <tb>Phasenspannungsamplitude<sep>ûg<sep>1.0


  <tb>Phasenstromamplitude<sep>îg<sep>1.0


  <tb>Kreisfrequenz<sep>omega g<sep>1.7


  <tb>Scheinbare Leistung<sep>Sg<sep>1.5


  <tb>Leistungsfaktor<sep>cos   <sep>0.80


  <tb>Mechanisches Drehmoment<sep>Tm<sep>0.71


  <tb>Netz<sep><sep>


  <tb>Phasenspannungsamplitude<sep>ûn<sep>1.0


  <tb>Phasenstromamplitude<sep>în<sep>1.0


  <tb>Kreisfrequenz<sep>omega n<sep>1.0


  <tb>Scheinbare Leistung<sep>Sn<sep>1.5


  <tb>Leistungsfaktor<sep>cos   <sep>0.80


  <tb>Umrichter<sep><sep>


  <tb>Spannung über Kapazität im Zwischenkreis<sep>uc<sep>0.82(b) im per unit System werden Grössen jeweils auf die nominale Basisgrösse bezogen, dies nach der Formel: Basiswert in p.u. = (Grösse in SI-Einheiten)/(Nominalwert von Spannung oder Leistung)

[0071] Die Erregung des Generators über die Spannung Uf wird unter Verwendung eines Standardmaschinenmodells (vergleiche dazu z.B. C.-M. Ong, Dynamic Simulation of Electric Machinery, 1st ed. Upper Saddle River, N.J. (USA): Prentice Hall, 1998 und J. Chatelain, "Machines électriques," in Traité d'Electricité, 1st ed. Lausanne, CH: Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 1983, vol.

   X.) berechnet.

[0072] Die verschiedenen Operationspunkte werden über die Referenzwerte für Spannung, Frequenz und Blindleistung respektive Wirkleistung, und unter Verwendung der Formel (3) berücksichtigt.

[0073] Eine schematische Darstellung der Evaluation der Erregerspannung Uf ist in Fig. 8 angegeben. Als Eingangswerte für die Berechnung dienen die Werte der Generatorspannung, Ug, Generatorfrequenz, omega g, die gewünschte Blindleistung, Qg und die gewünschte Wirkleistung, Pg, wie dies auf der linken Seite der Fig. 8 als Eingang angegeben ist.

   Zudem wird Lmd als fixer Wert vorgegeben, wobei Lmd in Fig. 8 mit -K- bezeichnet ist.

[0074] Die induzierte Spannung Ef ist proportional zum Feldstrom If, welcher wiederum proportional ist zur Feldspannung (Erregerspannung) Uf (Amplituden von Wechselstromgrössen werden verwendet):
 <EMI ID=24.0> 

 <EMI ID=25.0> 

[0075] Die Formel für die Statorseite, unter Verwendung von komplexen Vektoren, ist:
 <EMI ID=26.0> 

[0076] Dies kann geschrieben werden als
 <EMI ID=27.0> 
wobei    der Phasenwinkel zwischen U und I ist, und delta  der Verschiebungs- oder Last-Winkel zwischen Ef und U. Es kann gezeigt werden, dass
 <EMI ID=28.0> 
und somit dass
 <EMI ID=29.0> 

 <EMI ID=30.0> 
was in Formel (28) eingesetzt werden kann.

   Da die Wirkleistung P und die Blindleistung Q in einem Dreiphasensystem ausgedrückt werden kann als
 <EMI ID=31.0> 

 <EMI ID=32.0> 
kann man unter Verwendung der Amplitude von Ausgangsspannung U und Stromstärke I Folgendes aufstellen
 <EMI ID=33.0> 

 <EMI ID=34.0> 
was in die Formeln (28) und (29) eingesetzt werden kann. Alle Reaktanzen werden ausgedrückt als
 <EMI ID=35.0> 
da die Generatorfrequenz variieren kann. Die oben angegebenen Gleichungen gelten für stationäre Betriebsweise.

   Um das Verhalten bei schneller Dynamik zu verbessern, wird ein Beitrag
 <EMI ID=36.0> 
zum Ausgang hinzuaddiert, unter Verwendung von
 <EMI ID=37.0> 
als Stromkomponente der direkten Achse.

[0077] Aus den Formeln (25)-(38) kann die generelle Formel für die Erregerspannung Uf aufgestellt werden, wobei diese, wie schematisch in Fig. 8 dargestellt, als Funktion von Generatorspannung, Generatorfrequenz, Wirkleistung und Blindleistung des Generators sowie der Konstante Lmd ausgedrückt ist.

[0078] Die Steuerung hat drei Referenzpunkte, wobei jeder dieser Punkte eine Leistungsgrösse im System beeinflusst:

   (I) das Turbinendrehmoment T*t für die Wirkleistung P, (II) der Leistungsfaktorwinkel   g für die Blindleistung Qg des Generators, sowie (III) die Spannung u*c über der Kapazität im Zwischenkreis für die Blindleistung Qn des Netzes 4.

[0079] Die durch das Turbinendrehmoment auf die Generatorwelle übertragene mechanische Leistung wird bei stationärer Betriebsweise vollständig auf das Netz übertragen, was die Wirkleistung P überall im gesamten System bestimmt (I).

[0080] Der Leistungsfaktorwinkel des Generators wirkt auf das Erregersystem (II).

[0081] Die Spannung über der Kapazität im Zwischenkreis wirkt wie eine Generatorerregung für den Umrichter, welche an das Netz gekoppelt ist (III). Ihr Referenzwert u*c kann aus der Amplitude der Netzspannung sowie der gewünschten Wirk- und Blindleistung ermittelt werden.

   Die Rechnungen sind dabei wesentlich einfacher als bei der Erregung durch den Generator, da es keinen Unterschied zwischen den Reaktanzen entlang der Achsen d und q gibt. Die Gleichung für die in Netzseite unter Verwendung von komplexen Vektoren ist gegeben durch:
 <EMI ID=38.0> 

[0082] Dies kann geschrieben werden als
 <EMI ID=39.0> 
mit   n als Winkel zwischen Un und In. Unter Verwendung der Gleichungen (34) und (35) für die Netzseite erhält man somit:
 <EMI ID=40.0> 

[0083] Dieser Ausdruck für Ui kann nun in Gleichung (20a) eingesetzt werden, was einen Ausdruck für uc* ergibt.

[0084] Es werden verschiedene Übergänge simuliert, wobei für jeden der Übergänge jeweils 1 Sekunde Zeit gegeben wurde. Die einzelnen Kenngrössen sind in den Fig. 9-12 grafisch zusammengestellt.

[0085] Dabei wird das System im Bereich zwischen 0 und 1 ohne Last gefahren.

   In diesem Fall sind das mechanische Drehmoment Tm sowie das elektromagnetische Drehmoment Te und der Lastwinkel delta m gleich null (vergleiche Fig. 9).

[0086] Im Bereich zwischen 1 und 2 wird nun ein erster Übergang simuliert. In diesem Übergang wird das Drehmoment der Turbine auf den Nominalwert geschoben. Mit anderen Worten wird in Fig. 6 der Wert von tt* auf den Nominalwert geschoben. Anschliessend wird das Drehmoment Tm der Turbine nicht mehr verändert und bleibt konstant (vergleiche Fig. 9 ganz oben).

[0087] In Reaktion auf diesen Übergang nehmen der Erregerstrom if (vergleiche Fig. 10 oben) und gleichermassen der Generatorstrom ig (vergleiche Fig. 10 Mitte) zu. Auch die Blindleistung Qg sowie die Wirkleistung Pg des Generators steigen an (vergleiche Fig. 10 unten).

   In Reaktion darauf beobachtet man auch eine Zunahme des an das Netz abgegebenen Stromes in (vergleiche Fig. 11 Mitte) und der an das Netz abgegebenen Wirkleistung Pn. Die an das Netz abgegebene Blindleistung Qn bleibt bei diesem ersten Übergang im Wesentlichen null. Die Spannung uc im Zwischenkreis bleibt ebenfalls konstant, wie aus Fig. 11 oben ersichtlich.

[0088] Der zweite Übergang findet im Bereich zwischen 3 und 4 statt. Bei diesem Übergang wird die Spannung uc im Zwischenkreis 8, welche wie die Erregung des Generators auf der Netzseite wirkt, ebenfalls angehoben, um den Nominalwert der Blindleistung im Netz zu erhalten. Mit anderen Worten wird der in Fig. 6 dargestellte Referenzwert der Kapazitätsspannung von uc* etwas vom Nominalwert angehoben. Tatsächlich reagiert der Wert der an das Netz abgegebenen Blindleistung Qn, wie in Fig. 11 unten ersichtlich.

   Auf der Seite des Generators nimmt die Spannung Ug ebenfalls leicht zu, was zu einer Anpassung der Erregerspannung Uf Anlass gibt, um die Blindleistung aufrechtzuerhalten, dies aber bei einem anderen Betriebspunkt mit anderem Leistungsfaktor.

[0089] Beim dritten Übergang, welcher im Bereich zwischen 6 und 7 angeordnet ist, wird der Leistungsfaktor des Generators auf eins gesetzt, was bedeutet, dass die Erregung (vergleiche Feldstrom if in Fig. 10 oben) angepasst wird. Mit anderen Worten wird in Fig. 6 der Wert von phg* vom Nominalwert etwas reduziert. Die Blindleistung Qg auf der Seite des Generators kann durch diesen Schritt im Wesentlichen eliminiert werden (vergleiche Fig. 10 unten).

[0090] Der Vollständigkeit halber sind in Fig. 12 sowohl auf der Generator- als auch auf der Netzseite die entsprechenden Wellenformen von Spannung (Ug bzw.

   Un) und Strom (ig  bzw. in) angegeben.

Bezugszeichenliste

[0091] 
1 : Turbine
2 : Getriebe
3 : Generator
4 : Netz
5 : Frequenzkonverter
6 : Gleichrichter (rectifier)
7 : Wechselrichter (inverter)
8 : Zwischenkreis
9 : Erregerspeisung
10, 11 : Messvorrichtung
12 : (+)-Niveau des Dreistufenumrichters
13 : (0)-Niveau des Dreistufenumrichters
14 : (-)-Niveau des Dreistufenumrichters
15 : Messpunkt von Spannung über C1 und C2
16 : Transformator
17 : Modulator für Ansteuerung von 7
18 : Modulator für Ansteuerung von 6
19 : Steuereinheit für Erregerspeisung
C : Kapazität in 8
C1 : Kapazität zwischen 12 und 13
C2 : Kapazität zwischen 13 und 14
E : Eingangsspannung der Spannungsquelle
U : Ausgangsspannung der Spannungsquelle
I : Strom
L : Induktivität
w : Kreisfrequenz
P : Wirkleistung bei U
Q : Blindleistung bei U
delta  : Verschiebungswinkel, Lastwinkel
   :

   Phasenwinkel zwischen U und I
J : Trägheitsmoment
Tm : mechanisches Drehmoment der Turbine
Te : elektromagnetisches Drehmoment
Pm : mechanische Leistung der Turbine
Pe : elektromagnetische Leistung
omega m : mechanische Kreisfrequenz des Generators
Xd : synchrone Reaktanz der d-Achse
Xd ¾ : transiente Reaktanz der d-Achse
E ¾ : Erregungsspannung zu X ¾d
Tk ¾ : dynamisches Kippmoment
Tk : Kippmoment
D : Dämpfungskoeffizient
omega r : Kreisfrequenz des Gleichrichters
Ur : Wechselspannung des Gleichrichters
ir : Strom von Gleichrichter in Zwischenkreis geliefert
uc :  Gleichspannung im Zwischenkreis 8
Pr : Leistung hinter Gleichrichter
omega i : Kreisfrequenz des Wechselrichters
Ui : Wechselspannung des Wechselrichters
Un : Wechselspannung des Netzes
omega n : Kreisfrequenz des Netzes
in : Wechselstrom des Netzes
ii :

   Strom von Wechselrichter aus Zwischenkreis gezogen
Pi : gewandelte Leistung
Ik : Durchbruchstrom
uc* : Referenzwert der Kapazitätsspannung
KP : proportionale Kontrollverstärkung
KD : differenzielle Kontrollverstärkung
Uf : Erregerspannung
if : Feldstrom
Ug : Spannung des Generators
ig : Strom des Generators
sg : Steuersignal für Gleichrichter
sn : Steuersignal für Wechselrichter
û1 : Amplitude der Grundwelle
u1 : Grundwelle
delta omega  : Frequenzdifferenz zwischen wi und wn
m : Modulationsindex
ualpha  : Kommutierungsniveau
thm : Winkelposition im Rotor (Phase)
Ydq : Magnetfluss
phg* : Generatorphase
tt* : mechanisches Drehmoment der Turbine
omega g : Generatorfrequenz
ph3 : Phasenverschiebung
ua : Pulsbreite der Rechteckblöcke
Qg : gewünschte Blindleistung
Pg : gewünschte Wirkleistung
Lmd : Konstante für Zeitabhängigkeit gemäss Formel (37)
Ef : induzierte Spannung
Rf :

   Widerstand
Xmd : Reaktanz
X : Reaktanz
Pn : Wirkleistung des Netzes
Qn : Blindleistung des Netzes
T* : Turbinendrehmoment
  n : Winkel zwischen Un und In

Claims

1. Verfahren zur Steuerung eines statischen Frequenzkonverters (5), bei welchem eine in einem Generator (3) erzeugte Wechselspannung (Ug) mit einer ersten Frequenz (omega g) zunächst in einem geschalteten Gleichrichter (6) gleichgerichtet wird, und die so in einem Zwischenkreis (8) vorhandene Gleichspannung in einem geschalteten Wechselrichter (7) in Wechselspannung (Un) mit einer Netzfrequenz (omega n) gewandelt wird, wobei der Generator (3) wenigstens eine Erregerspule aufweist, wobei zur Steuerung der in das Netz (4) eingespeisten Leistung Mittel angeordnet sind, mit welchen wenigstens die Stärke des von der wenigstens einen Erregerspule erzeugten Erregerfeldes geregelt wird, und wobei die Steuerung des Frequenzkonverters (5) im Gleichrichter (6) derart geführt wird, dass die generatorseitige Wechselspannung (Ur) des Gleichrichters (6) in ihrer Frequenz (omega r)

auf einen im Wesentlichen konstanten Wert der ersten Frequenz (omega g) geregelt wird, und die Steuerung im Wechselrichter (7) auf Basis des gemessenen Wertes der Gleichspannung (uc) im Zwischenkreis (8) geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Regelung der Stärke des Erregerfeldes auch die Phasenlage zwischen Frequenzkonverterspannung und Generator- respektive Netzspannung (Un) über die Mittel geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannung (uc) im Zwischenkreis (8) als Regelparameter über wenigstens einer Kapazität (C) im Zwischenkreis abgegriffen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung im Wechselrichter (7) derart geführt wird, dass die netzseitige Frequenz (omega i) des Wechselrichters (7) nach folgender Funktion geregelt wird omega i = omega n + delta omega ,wobei die Funktion delta omega gegeben ist durch <EMI ID=41.0> und wobei KP eine vorgegebene, proportionale Kontrollverstärkung ist, und wobei uc* ein Referenzwert der Kapazitätsspannung ist, welcher u.a. in Abhängigkeit der gewünschten Blindleistung (Q), ggf. dynamisch, gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion delta omega zusätzlich unter Berücksichtigung der Dämpfung mit einer vorgegebenen differenziellen Kontroll Verstärkung KD zur Steuerung im Wechselrichter (7) verwendet wird, nach der Formel: <EMI ID=42.0>

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Stärke des von der wenigstens einen Erregerspule erzeugten Erregerfeldes und dessen Phasenlage über eine Erregerspannung (Uf) eingestellt wird, welche in Funktion der Generatorspannung (Ug), der Generatorfrequenz (omega g), der Wirkleistung des Generators (Pg) und der Blindleistung des Generators (Qg) gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerspannung (Uf) nach folgender Formel geregelt wird: Uf = RfIf + U ¾fwobei Rf die Proportionalitätskonstante zwischen der Erregerspannung (Uf) und dem Feldstrom (If) bei stationärer Betriebsweise gemäss <EMI ID=43.0> ist, und wobei der additive Beitrag (U ¾f) zum Ausgang bei schneller Dynamik gegeben ist als <EMI ID=44.0> mit der Konstanten (Lmd), wobei die Stromkomponente der direkten Achse (Id) definiert ist als <EMI ID=45.0> mit dem Verschiebungswinkel zwischen Rotor und Netz (delta ) und dem Phasenwinkel ( ) zwischen U und I.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Frequenzkonverter (5) um einen Dreistufenumrichter handelt, wobei die Gleichspannung (uc) im Zwischenkreis (8) als Mittelwert der über den beiden Kapazitäten (C1, C2) zwischen einem (+)-Niveau und einem (0)-Niveau sowie dem (0)-Niveau und einem (-)-Niveau anliegenden Spannungen ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerte Gleichrichter (6) und/oder der gesteuerte Wechselrichter (7) in Grundfrequenztaktung betrieben wird, wobei es sich beim gesteuerten Gleichlichter (6) bevorzugt um einen Drei-Niveau-Gleichrichter und beim gesteuerten Wechselrichter (7) bevorzugt um einen Drei-Niveau-Wechselrichter handelt, welche beide in Grundfrequenztaktung betrieben werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der statische Frequenzkonverter (5) geschaltete Thyristoren, wie beispielsweise GTO's, IGBT's, MOSFET's, oder IGCT's, umfasst.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuerung angeordnet ist, welche über die Messung von Spannung (Ur, Ui) und/oder Strom (ir, ii) vor und/oder hinter dem statischen Frequenzkonverter (5) eine Anpassung der ins Netz (4) eingespeisten Amplitude der Wechselspannung durch eine entsprechende Ansteuerung der Mittel zur Steuerung der Stärke des von der Erregerspule erzeugten Erregerfeldes vornimmt.

12. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Generator (3) mit wenigstens einer regelbaren Erregerspule, einem statischen Frequenzkonverter (5), umfassend wenigstens einen gesteuerten Gleichrichter (6) in Grundfrequenztaktung und wenigstens einen gesteuerten Wechselrichter (7) in Grundfrequenztaktung, sowie wenigstens einer Steuerung zur Regelung dieser Elemente ausgestattet ist, wobei zusätzlich Mittel zur Messung der Werte der Gleichspannung (uc) im Zwischenkreis (8) angeordnet sind, und diese Werte zur Steuerung im Wechselrichter (7) verwendet werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Regelung der Amplitude und/oder der Phasenlage der Erregerspannung für die regelbare Erregerspule angeordnet sind, mit welchen die Stärke resp. Phasenlage des Erregerfeldes an die Erfordernisse des Netzes (4) angepasst werden kann.