DE10011750A1

DE10011750A1 - Kompensation von Oberwellen eines Generatorstroms

Info

Publication number: DE10011750A1
Application number: DE10011750A
Authority: DE
Inventors: Marco Suter
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2001-09-20

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zur Verbindung eines Generaorts (1) einer Turbine an ein Stromversorgungsnetz (6) weist einen Gleichrichter (2) und einen dazu parallel geschalteten Start-Wechselrichter (7) auf. Der Start-Wechselrichter (7) wird als aktives Filter zur Kompensation von Oberwellen eines Generatorstroms (I¶Rec¶) verwendet. Hierfür fließt durch den Start-Wechselrichter (7) ein Kompensationsstrom (I¶Act¶), welcher mindestens annähernd die Differenz des Generatorstroms (I¶Rec¶) zu einem idealen Generatorstrom (I¶Fund¶) bildet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation von Oberwellen eines Generatorstroms gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Schaltungsanordnung zur Verbindung eines Generators einer Turbine an ein Stromversorgungsnetz gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 4.

Stand der Technik

In Fig. 1 ist eine gattungsgemässe Schaltungsanordnung zur Verbindung eines Drehstromgenerators 1 einer Turbine an ein Stromversorgungsnetz 6 dar gestellt. Die Schaltungsanordnung weist einen Gleichrichter 2, insbesondere einen Diodengleichrichter, auf, welcher mit einem netzseitigen Wechselrichter 3 verbunden ist. Der Wechselrichter ist steht über eine Schutzeinheit 5 mit dem Stromversorgungsnetz in Wirkverbindung. Je nach Ausführungsform ist zwischen Wechselrichter und Schutzeinheit noch ein Transformator 4 vorhanden. Zum Starten des Generators beziehungsweise der Turbine ist parallel zum Diodengleichrichter ein Start-Wechselrichter 7 geschaltet. Dieser ist während des Betriebs der Turbine ausgeschaltet. Typischerweise liegt dabei die Nennleistung des Start-Wechselrichters bei circa 10% der Nennleistung des Diodengleichrichters.

Der Generator liefert wegen dem Gleichrichter, insbesondere wegen dem Diodengleichrichter, einen Generatorstrom, welcher ausgeprägte Oberwellen aufweist. Diese Oberwellen erwärmen den Generator und sind deshalb un erwünscht. Ein typisches Stromsignal einer Phase als Funktion der Zeit ist in Fig. 2a dargestellt, sein Spektrum in Fig. 2b. In Fig. 2b ist erkennbar, dass vor allem die 5. und 7. Oberwelle f5, f7 stark ausgeprägt sind.

Im Stand der Technik wird zur Verminderung dieser Oberwellen ein passives Filter in Form von Kondensatoren eingesetzt, welche zwischen Generator und Gleichrichter angeordnet sind. In Fig. 1 ist dieses passive Filter mit der Bezugsziffer 8 versehen. Das passive Filter hat den Nachteil, dass es nur auf einen einzigen Arbeitspunkt beziehungsweise Leistungswert des Generators optimierbar ist. Bei diesem Leistungswert reduziert es zwar die Oberwellen relativ wirksam, in anderen, insbesondere tieferen Leistungsbereichen kann es jedoch zu einer Verstärkung der Oberwellen führen. Dies ist aus Fig. 3 ersichtlich, wobei in dieser Figur der prozentuale Anteil der Oberwellen in Funktion der Leistung des Generators dargestellt ist. f5 und f7 bezeichnen dabei die 5. beziehungsweise 7. Oberwelle. Mit a und a' sind die Werte dieser Oberwellen ohne Verwendung eines passiven Filters bezeichnet. Damit der Generator somit auch mit geringer Leistung betrieben werden kann und es somit möglich ist, die Turbine auch mit nur teilweiser Auslastung arbeiten zu lassen, muss der Generator ein relativ grosses Kühlsystem aufweisen.

Es sind im Stand der Technik Turbinen, sogenannte Mikroturbinen, bekannt, welche sich durch eine geringer Grösse bei einem breiten Leistungsbereich auszeichnen. Diese Turbinen können Drehzahlen von bis zu 120'000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Bei diesen Mikroturbinen überträgt sich aufgrund ihres Designs eine Änderung der Auslastung unmittelbar auf die Generatorleistung. Generatoren, welche mit derartigen Turbinen verbunden sind, sollten deshalb einen möglichst kleinen Rotor aufweisen, um mit diesen Drehzahlen mithalten zu können. Typische Werte liegen bei 135 mm für einen Durchmesser und 200 mm für eine Länge des Rotors. Um das Gesamtensemble nicht zu beeinträchtigen, ist ein möglichst kleiner Generator wünschenswert. Dies kann im Stand der Technik jedoch aufgrund der Oberwellen und des somit benötigten Volumens des Kühlsystems nicht erreicht werden.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kompensation von Oberwellen eines Generatorstroms und eine Schaltungsanordnung zur Verbin dung eines Generators einer Turbine an ein Stromversorgungsnetz der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Reduktion der Oberwellen des Generatorstroms ermöglichen.

Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 4.

Erfindungsgemäss wird der Start-Wechselrichter dazu verwendet, um während des Betriebs des Generators Oberwellen des Generatorstroms zu kompensieren. Dies lässt sich mittels einer einfachen Regeleinheit erzielen. Notwendig hierfür ist lediglich eine einfache Stromregelung in Form einer phasenweisen Subtraktion des erzeugten Generatorstroms von einem idealen Generatorstrom und, mittels des Start-Wechselrichters, die Erzeugung eines dem Subtraktionswert mindestens annähernd entsprechenden Kompensationsstroms. Ist der Start-Wechselrichters während des Betriebs von einem Zwischenkreis eines Gleichrichters weggeschaltet, so ist eine Spannungsregelung der Zwischenkreisspannung des Start-Wechselrichters notwendig.

Dank dem erfindungsgemässen Verfahren und der Schaltungsanordnung lassen sich somit Oberwellen des Generatorstroms über den gesamten Leistungsbereich und somit auch bei kleinen Generatorleistungen kompensieren. Der Generator lässt sich mit einem kleinen Kühlsystem betreiben, so dass sich seine Grösse mininieren lässt.

Vorteilhaft ist ferner, dass sich bekannte Schaltungsanordnungen verwenden lassen. Hardwareseitig ist keinerlei Änderung notwendig, lediglich regelungs seitig muss vorgesehen werden, dass der Start-Wechselrichter nach dem Start des Generators nicht unterbrochen wird und dass während dem Betrieb eine aktive Filterung des Generatorstroms durchgeführt wird. Somit lassen sich auch bestehende Anlagen auf einfache Art und Weise nachrüsten.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand eines bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung gemäss dem Stand der Technik;

Fig. 2a eine graphische Darstellung eines unkompensierten Generator stroms in Funktion der Zeit;

Fig. 2b eine graphische Darstellung eines Frequenzspektrums des Generatorsstrom gemäss Fig. 2a;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Oberwellenamplituden des Generatorstroms in Funktion der Generatorleistung;

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung mit einem aktiven Filter;

Fig. 5a eine Regel- und Steuereinheit für das aktive Filter gemäss Fig. 4 in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 5b eine Regel- und Steuereinheit in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 6a eine graphische Darstellung eines unkompensierten Generator stroms in Funktion der Zeit;

Fig. 6b eine graphische Darstellung eines idealen Generatorstroms in Funktion der Zeit;

Fig. 6c eine graphische Darstellung eines Kompensationsstromes in Funktion der Zeit;

Fig. 7a eine graphische Darstellung eines erfindungsgemäss kompensierten Generatorstroms in Funktion der Zeit und

Fig. 7b eine graphische Darstellung der Frequenzen des Generatorsstrom gemäss Fig. 7a.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemässe Schaltungsanordnung dargestellt, wie sie für Generatoren von Turbinen und insbesondere für Mikroturbinen einsetzbar ist. Sie unterscheidet sich von der bekannten Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 im wesentlichen darin, dass sie einen Start-Wechselrichter 7 aufweist, welcher zusätzlich als aktives Filter wirkt und somit während des Betriebs des Generators in Betrieb bleibt. Die übrigen Elemente, das heisst Diodengleichrichter 2, netzseitiger Wechselstromrichter 3, Transformator 4 und Schutzeinheit 5 entsprechen den eingangs beschriebenen Bauteilen. In der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 4 ist kein passives Filter dargestellt. Ferner ist gleichstromseitig vorzugsweise ein Schalter 9 vorhanden, um den Start- Umrichter 7 während des Betriebs vom Zwischenkreis des Gleichrichters 2 wegzuschalten. Ferner sind vorzugsweise Spulen 10 zwischen Start- Wechselrichter 7 und Generator 1 und eine Kapazität zwischen Schalter 9 und Start-Wechselrichter 7 vorhanden.

Wie in Fig. 5a dargestellt, ist der Start-Wechselrichter 7 mit einer Regel- und Steuereinheit für eine Stromregelung verbunden. Diese Regel- und Steuereinheit weist im wesentlichen eine PLL-Schaltung (phase locked loop) PLL, einen ersten und zweiten Subtrahierer S1 und S2, ersten einen Proportional-Integral-Regler PI(1) und einen Pulsbreitenmodulationsbaustein PWM auf. Im erfindungs gemässen Verfahren werden ein Generatorstrom I_Rec, ein Kompensationsstrom I_Act und eine am Gleichrichter 2 anliegende zwischenkreisseitige Spannung V_DC gemessen. V_DC wird in den PLL gespiesen, um eine Amplitude eines idealen Generatorstroms I_Fund zu bestimmen. Dies ist dank dem Gleichrichter 3 möglich, da seine zwischenkreisseitige Spannung V_DC ein Mass für die Geschwindigkeit der Turbine ist. Der Generatorstrom I_Rec wird im ersten Subtrahierer S1 von diesem idealen Generatorstrom I_Fund subtrahiert. Der Differenzwert I_Rip wird über den zweiten Subtrahierer S2, den PI-Regler PI(1) und dem Pulsbreitenmodulationsbaustein PWM zum Steuereingang des Start- Wechselrichters 7 geleitet. Am wechselstromseitigen Ausgang des Start-Wechsel richters 7 wird der Kompensationsstrom I_Act gemessen und sein Signalwert dem zweiten Subtrahierer S2 als Subtrahent zugeführt, so dass dem Regler des Start- Wechselrichters 7 als Differenzsignal eine Differenz des Differenzwertes I_Rip aus dem ersten Subtrahierer und dem gemessenen Kompensationsstrom I_Act zugeführt wird.

In Fig. 5b ist eine zweite Ausführungsform der Regel- und Steuereinheit dargestellt, welcher zusätzlich zu den anhand Fig. 5a beschriebenen Elementen noch einen überlagerten Spannungsregler aufweist. Dieser Spannungsregler ist für den Fall notwendig, wenn der Start-Umrichter 7 mittels des Schalters 9 vom Zwischenkreis weggeschaltet wird. In dieser Ausführungsform wird mittels eines zweiten Proportional-Integral-Reglers PI(2) die Spannung im Zwischenkreis konstant gehalten. Hierfür wird eine Differenz aus einem Spannungs-Sollwert V_{DC_Soll} und der zwischenkreisseitigen Spannung V_DC gebildet und nach dem zweiten PI-Regler mittels eines Multiplikators M mit einer gemessenen Spannung V_G multipliziert. Der Wert wird mittels eines Addierers A zum Ausgangswert des ersten Subtrahierers S1 addiert und als Additionswert I_{Act_Soll} dem zweiten Subtrahierer S2 zugeleitet. Dieser dem Stromregler übergelagerte Spannungsregler ist typischerweise einige Grössenordnungen langsamer als der oben erwähnte Stromregler.

In den Fig. 6a bis 6c sind die drei Ströme I_Rec, I_Fund und I_Act einer Phase dargestellt, wobei I_Act mindestens annähernd gleich I_Fund minus I_Rec ist. In den Fig. 7a und 7b sieht man das Ergebnis des erfindungsgemässen Verfahrens, wobei es bei einer Generatorleistung von mindestens annähernd 52 kW, also einem mittleren Leistungsbereich, durchgeführt worden ist. In Fig. 7a ist ein kompensierter Generatorstrom I_GenKom, wie er durch den Generator 2 fliesst, und in Fig. 7b sein Frequenzspektrum dargestellt. Es ist klar zu erkennen, dass insbesondere die 5. und 7. Oberwelle oder Harmonische massiv reduziert worden sind. Die Qualität des kompensierten Generatorstroms I_GenKom hängt von der Regel- und Steuereinheit 9 und vom Schaltverhalten des Start-Wechselrichters 7 ab.

Bezugszeichenliste

1

Generator

2

Gleichrichter

3

Netzseitiger Wechselrichter

4

Transformator

5

Schutzeinheit

6

Stromversorgungsnetz

7

Start-Wechselrichter

8

Passives Filter

9

Schalter

10

Spulen

11

Kondensator

Claims

1. Verfahren zur Kompensation von Oberwellen eines Generatorstroms (I_Rec), dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Starten des Generators (1) eingesetzter, parallel zu einem Gleichrichter (2) geschalteter Start- Wechselrichter (7) während des Betriebs des Generators (1) zur Kompensa tion der Oberwellen verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator strom (I_Rec) von einem idealen Generatorstrom (I_Fund) subtrahiert wird und ein erhaltenes Differenzsignal dem Start-Wechselrichter (7) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator strom (I_Rec), ein durch den Start-Wechselrichter (7) fliessender Kompensa tionsstrom (I_Act) und eine am Gleichrichter (2) anliegende Gleichspannung (V_DC) gemessen werden und einer mit dem Start-Gleichrichter (7) wirkver bundenen Regel- und Steuereinheit (9) zugeführt werden.

4. Schaltungsanordnung zur Verbindung eines Generators (1) einer Turbine an ein Stromversorgungsnetz (6), wobei die Schaltungsanordnung einen Gleichrichter (2) und einen dazu parallel geschalteten Start-Wechselrichter (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Start-Wechselrichter (7) ein aktives Filter zur Kompensation von Oberwellen eines Generatorstroms (I_Rec) bildet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Start-Wechselrichter (7) mit einer Regel- und Steuereinheit (9) verbunden ist, welche einen Differenzwert (I_Rip) zwischen einem idealen Generatorstrom (I_Fund) und dem Generatorstrom (I_Rec) bildet und dieser Differenzwert (I_Rip) dem Start-Gleichrichter (7) zwecks Bildung eines Kompensationsstromes (I_Act) zuführt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung des Generatorstroms (I_Rec), des Kompensations stroms (I_Act) und einer am Gleichrichter (2) anliegenden Gleichspannung (V_DC) vorhanden sind, welche mit der Regel- und Steuereinheit (9) verbun den sind.