DE10130339A1

DE10130339A1 - Improving usefulness and reliability of power plant e.g. wind power plant, involves using diode rectifier(s) or controlled rectifier(s) in fundamental frequency clocking mode to convert effective electrical power

Info

Publication number: DE10130339A1
Application number: DE10130339A
Authority: DE
Inventors: Michael Henschel; Rajib Datta; Steffen Bernet; Andreas Nagel
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-02

Abstract

The method involves using at least one diode rectifier or at least one controlled rectifier (51) in fundamental frequency clocking mode to convert the effective electrical power converter by the generator (1) and setting or regulating the generator current phase angle and current harmonics with at least one controlled current converter (50). AN Independent claim is also included for the following: an arrangement for improving usefulness and reliability of power plant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer im Bereich erneuerbarer Energiequellen, wie beispielsweise der Wind- oder Gezeitenenergie, eingesetzten Kraftanlage mit Wind- oder Wasserturbine und jeweils angekoppeltem Synchrongenerator mit Gleichspannungszwischenkreis zur Umwandlung durch Naturgewalten bzw. -kräfte an der Kraftanlage geleisteter mechanischer Arbeit in elektrische Energie bzw. elektrische Leistung und deren Einspeisung in ein entsprechendes Stromversorgungs- und/oder Inselnetz. The invention relates to a method and an apparatus for improving the Efficiency and reliability of a renewable energy source such as for example wind or tidal energy, power plant used with wind or water turbine and each coupled synchronous generator with DC voltage intermediate circuit for conversion by natural forces or forces on the Power plant performed mechanical work in electrical energy or electrical power and feeding them into a corresponding power supply and / or island network.

Windkraftanlagen, mit Turm, darauf befindlicher Gondel mit Windturbine mit Rotor und Generator, werden zumeist mit robusten Asynchrongeneratoren ausgestattet und mittels zwischengeschaltetem mechanischem Getriebe und Transformator direkt an ein Stromversorgungsnetz gekoppelt. Nachteilig wirken sich hierbei durch das Getriebe bedingte Verlustleistungen, in Folge des Getriebes zu erbringende Wartungsaufwendungen sowie eine konstant zu haltende Drehzahl der Windkraftanlage aus. Die konstante Drehzahl führt ihrerseits zu einer nicht optimalen Energieausbeute bzw. Leistungsumwandlung und zu Netzrückwirkungen, beispielsweise hervorgerufen durch auftretende Windböen oder das Eintreten eines der Rotorblätter in den Turmschatten der Windkraftanlage. Wind turbines, with tower, gondola with wind turbine with rotor and Generator, are mostly equipped with robust asynchronous generators and by means of an intermediate mechanical gearbox and transformer Power supply network coupled. The transmission has a disadvantageous effect here conditional power losses to be provided as a result of the transmission Maintenance expenses as well as a constant speed of the wind turbine. The constant The speed in turn leads to a non-optimal energy yield or Power conversion and network perturbations, for example caused by occurring Wind gusts or the entry of one of the rotor blades into the shadow of the tower Wind turbine.

Um vorgenannte Einschränkungen der Asynchrongeneratoren zu umgehen bzw. zu vermeiden werden Windkraftanlagen in zunehmendem Maße mit getriebelosen, drehzahlvariablen Synchrongeneratoren ausgestattet. To circumvent or restrict the above restrictions of the asynchronous generators Wind power plants with gearless, variable-speed synchronous generators.

Zur Vermeidung etwaiger Erregerverluste werden bei Synchrongeneratoren in den meisten Fällen Permanentmagnete zur Erregung des Polradfeldes des Generators eingesetzt, was gleichzeitig auch zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Generators beiträgt. To avoid possible excitation losses, synchronous generators are used in the in most cases permanent magnets to excite the generator rotor field used, which also increases reliability and longevity of the generator contributes.

Bekannte drehzahlvariable Generatoren werden über einen Umrichter mit Gleich- und Wechselrichter an das jeweilige Stromversorgungsnetz angeschlossen. Für den Umrichter können sowohl gesteuerte Gleichrichter, wie beispielsweise IGBT's (integrated gate bipolar transistors), MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), IGCT's (integrated gate commutated thyristors) und GTO's (gate turn-off thyristors), als auch ungesteuerte Gleichrichter, beispielsweise in Form einer 6-, 12-, 18- oder 24-pulsigen Diodenbrücke, eingesetzt werden. Die Beschaltung, Dimensionierung und Betriebsart des jeweiligen Gleichrichters hat hierbei Einfluß auf die Auslegung bzw. leistungsbezogene Dimensionierung des entsprechenden Synchrongenerators. Known variable-speed generators are powered by a converter with DC and Inverters connected to the respective power supply network. For the Inverters can be controlled rectifiers, such as IGBTs (integrated gate bipolar transistors), MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), IGCTs (integrated gate commutated thyristors) and GTOs (gate turn-off thyristors), as well as uncontrolled rectifiers, for example in the form of a 6-, 12-, 18- or 24-pulse diode bridge can be used. The wiring, dimensioning and operating mode of the respective rectifier has an influence on the design or performance-related dimensioning of the corresponding synchronous generator.

Durch den Einsatz eines gesteuerten, aktiven Gleichrichters, beispielsweise mit feldorientierter Regelung oder Vektorregelung, direkter Selbstregelung oder direkter Momentenregelung, ist bei entsprechender Stromrichterregelung der Ständerstrom des Generators in Amplitude und Phase frei einstellbar. Hierdurch kann der Generator bei einem sinusförmigen Quer- oder Blindstrom, d. h. einem Strom in der q-Achse des 2-phasigen, auf die Rotorseite bezogenen d-q-Koordinatensystems betrieben werden, wobei sich das für die jeweilige Stromamplitude maximal mögliche Drehmoment einstellt. Dieser Betriebsmodus wird auch als "untererregt" bezeichnet. By using a controlled, active rectifier, for example with field-oriented control or vector control, direct self-control or direct Torque control, is the stator current of the Generator freely adjustable in amplitude and phase. As a result, the generator can sinusoidal cross or reactive current, d. H. a current in the q-axis of the 2-phase, operated on the rotor side d-q coordinate system, where sets the maximum possible torque for the respective current amplitude. This Operating mode is also referred to as "under-excited".

Der Generator läßt sich hierdurch leistungsbezogen sehr genau dimensionieren bzw. auslegen, wodurch eine optimiert kleine Baugröße und eine hohe Leistungsdichte bei vergleichsweise geringen Installationskosten erreicht werden kann. As a result, the generator can be dimensioned very precisely or design, resulting in an optimized small size and a high power density comparatively low installation costs can be achieved.

Vorgenannte "untererregte" Betriebsweise führt jedoch am Gleichrichtereingang zu einem Leistungsfaktor ungleich dem Wert 1, sodaß der Gleichrichter strom- bzw. leistungsbezogen überdimensioniert, das heißt für einen größeren Phasenstrom ausgelegt werden muß. However, the aforementioned "under-excited" mode of operation leads to the rectifier input a power factor not equal to 1, so that the rectifier is current or Oversized in relation to power, i.e. designed for a larger phase current must become.

In der Praxis wird häufig eine Kompromißlösung zwischen maximalem Drehmoment und bestmöglichem Leistungsfaktor cosφ_s, das heißt einem Leistungsfaktor cosφ_s nahe dem Wert 1 angestrebt und in Konsequenz sowohl die Synchronmaschine bzw. -generator als auch der Gleichrichter leistungsbezogen überdimensioniert. Ein Betriebs- oder Arbeitspunkt der dem angestrebten Kompromiß gerecht wird, stellt sich beispielsweise bei einem dem halben Polradwinkel θ/2 entsprechenden Phasenwinkel cφ_s ein, was gleichbedeutend damit ist, daß Stator- oder Klemmenspannung U_S und Polrad- oder Läuferspannung U_p einander gleich sind. In practice, a compromise solution between maximum torque and the best possible power factor cosφ _s , that is to say a power factor cosφ _s close to the value 1, is often sought and as a consequence both the synchronous machine or generator and the rectifier are overdimensioned in relation to power. An operating point or working point which does justice to the desired compromise is set, for example, at a phase angle cφ _s corresponding to half the rotor angle θ / 2, which is equivalent to the fact that the stator or terminal voltage U _S and the rotor or rotor voltage U _p are equal to one another are.

Um den Strom gemäß vorgenannten Kriterien so zu regeln bzw. einzustellen, daß er mit nur geringen Oberschwingungsanteilen behaftet ist, muß der gesteuerte Gleichrichter mit einer Schaltfrequenz im Bereich von einigen hundert Hertz bis hin zu einigen Kilohertz betrieben werden. Die hierfür zu berücksichtigenden, technischen Erfordernisse, wie beispielsweise Schaltungsaufbau, Dimensionierung und Betriebsart des gesteuerten Gleichrichters beeinflussen jedoch in negativer Weise die Fehleranfälligkeit bzw. -häufigkeit des aktiven, gesteuerten Gleichrichters und führen demzufolge auch zu einer Erhöhung der Instandhaltungskosten der gesamten Anlage. In order to regulate or adjust the current according to the aforementioned criteria so that it the controlled rectifier must have only low harmonic components with a switching frequency in the range from a few hundred hertz to a few Kilohertz operated. The technical requirements to be taken into account for this, such as circuit design, dimensioning and operating mode of the controlled rectifier negatively affect the susceptibility to errors or -frequency of the active, controlled rectifier and therefore lead to one Increase the maintenance costs of the entire system.

Insbesondere die mangelnde Zuverlässigkeit aktiver Gleichrichter, basierend auf aktiv ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleitern, wie beispielsweise IGBT's, IGCT's und GTO's, gereicht ihnen hier zum Nachteil und ist im Hinblick auf den erreichbaren Nutzungsgrad und die mit ihm eng verknüpfte Wirtschaftlichkeit von Wind- und/oder Gezeitenkraftanlagen von grundlegender Bedeutung. In particular, the lack of reliability of active rectifiers based on active Power semiconductors that can be switched on and off, such as IGBTs, IGCTs and GTO's is disadvantageous for them here and is achievable in terms of Degree of utilization and the closely related economic efficiency of wind and / or Tidal power plants of fundamental importance.

Ein Gesichtspunkt, der hinsichtlich eines möglichen Einsatzes im Offshore-Bereich noch an Bedeutung zunimmt, da sich dort, bedingt durch widrige äußere Umstände, insbesondere Witterungseinflüsse, vorzunehmende Wartungs- und Reparaturarbeiten oftmals sehr aufwendig gestalten und nicht zu beliebigen Zeiten durchführbar sind. A point of view that still concerns a possible use in the offshore area is growing in importance because, due to adverse external circumstances, in particular weather influences, maintenance and repair work to be carried out often very complex and not feasible at any time.

Aufgrund der erschwerten Bedingungen und der erhöhten Materialbeanspruchung auf See sind hier vergleichsweise große finanzielle Aufwendungen notwendig. Due to the difficult conditions and the increased material stress Comparatively large financial expenses are necessary here.

Wird der gesteuerte Gleichrichter nun jedoch in Grundfrequenztaktung (GFT) betrieben, so kann vorteilhaft der Phasenwinkel zwischen Strom- und Spannungsgrundschwingung frei eingestellt, auftretende Schaltverluste reduziert und auslegungsbedingt Instandhaltungskosten eingespart werden. Gleichzeitig treten jedoch unerwünscht große Stromoberschwingungen auf, die eine ungünstige, leistungsbezogen überdimensionierte Auslegung des Generators sowie demgemäß zusätzliche Kosten bedingen und sich in Folge von Zusatzverlusten durch Stromharmonische und Verzerrungsblindleistungen ungünstig auf seinen Betrieb auswirken, wodurch der Nutzungsgrad und die Zuverlässigkeit der gesamten Kraftanlage nachhaltig vermindert wird. However, if the controlled rectifier is now operated in fundamental frequency clocking (GFT), the phase angle between current and Basic voltage oscillation freely set, switching losses that occur are reduced and due to the design Maintenance costs can be saved. At the same time, however, undesirably large ones occur Current harmonics based on an unfavorable, power related oversized design of the generator and accordingly additional costs and due to additional losses due to current harmonics and Distortion reactive power adversely affect its operation, reducing the degree of utilization and the Reliability of the entire power plant is permanently reduced.

Im Gegensatz dazu sind bei Verwendung eines ungesteuerten Gleichrichters, wie beispielsweise einer Diodenbrücke, Amplitude und Phase des Ständerstroms nicht frei wähl- bzw. vorgebbar. Vielmehr stellt sich bei einem ungesteuerten Gleichrichter ein systemabhängiger, bezüglich des eingesetzten Synchrongenerators jedoch nicht in jedem Fall optimaler Leistungsfaktor im Bereich von 0,9 bis 1 ein. In contrast, when using an uncontrolled rectifier, such as for example a diode bridge, amplitude and phase of the stator current are not free selectable or specifiable. Rather, an uncontrolled rectifier occurs system dependent, but not in terms of the synchronous generator used optimal power factor in the range from 0.9 to 1.

Bei einer Diodenbrücke, die auf eine kapazitive Gleichspannungsseite gleichrichtet, d. h. auf das generatorseitige Dreiphasensystem Spannungen einprägt, ergibt sich demgemäß ein Leistungsfaktor coscps der Grundschwingung von annähernd 1. Dieser Betriebsmodus ist durch die Diodenbrücke leicht kapazitiv "übererregt". In the case of a diode bridge that rectifies on a capacitive DC voltage side, i. H. impresses voltages on the generator-side three-phase system accordingly a power factor coscps of the fundamental of approximately 1. This Operating mode is slightly capacitively "overexcited" due to the diode bridge.

Ist die Gleichspannungsseite jedoch induktiv, das heißt befindet sich auf der Gleichspannungsseite eine Drossel oder Spule, so daß die Diodenbrücke in die Phasen des Generators einen vom Betrag konstanten Strom I_d einprägt, dann stellt sich ein approximativer Leistungsfaktor cosφ_s gemäß

cosφ_s ≍ 1 - d_X ein.
However, if the DC voltage side is inductive, _i.e. there is a choke or coil on the DC voltage side, so that the diode bridge impresses a constant current I _d in the phases of the generator, then an approximate power factor cosφ _{s is established in} accordance with

cosφ _s ≍ 1 - d _X a.

Der Wert d_X resultiert aus Kommutierungsverlusten, die sich darin begründen, daß der Generatorstrom in jeder Phase alle 180 elektrische Grad von der oberen Diodenhalbbrücke auf die Untere kommutieren muß und während dieses Zeitraums ein kommutierungsbedingter Spannungsabfall D_x auftritt, der den Leistungsfaktor um den Wert d_x verringert. The value d _X results from commutation losses, which are due to the fact that the generator current must commutate every 180 electrical degrees from the upper diode half-bridge to the lower in each phase and during this period a commutation-related voltage drop D _x occurs, which reduces the power factor by the value d _x decreased.

Für eine 6-Puls Diodenbrücke ergibt sich d_x gemäß

X_K an der Kommutierung benötigte Reaktanz. For a 6-pulse diode bridge, d _x results in accordance with

X _K reactance required at the commutation.

Hierbei bezeichnet L_K die an der Kommutierung beteiligte Induktivität und U_di den Mittelwert der auf der Gleichspannungsseite auftretenden Spannung, der auch als ideeller Gleichspannungswert bezeichnet wird. Der ideelle Gleichspannungswert U_di bestimmt sich aus der Generator- bzw. Klemmenspannung U_S gemäß

Here L _K denotes the inductance involved in the commutation and U _di the mean value of the voltage occurring on the DC voltage side, which is also referred to as the ideal DC voltage value. The ideal DC voltage value U _{di is} determined from the generator or terminal voltage U _{S in} accordance with

Der Generatorstrom I_s besitzt aufgrund der bestehenden Leistungsäquivalenz zwischen Gleichspannungsseite und dreiphasiger Wechselspannungsseite bei ideell glattem Gleichstrom I_d den Wert

The generator current I _s has the value due to the existing power equivalence between the DC voltage side and the three-phase AC voltage side with ideally smooth DC current I _d

Für den Leistungsfaktor cosφ_s der Grundschwingung ergibt sich demgemäß näherungsweise ein Wert von

For the power factor cos φ _{s of} the fundamental oscillation there is an approximate value of

Die an der Kommutierung beteiligte Reaktanz X_K, hat wegen der kurzen Kommutierungsperiode die Größe der sogenannten sub-transienten Reaktanz X". Because of the short commutation period, the reactance X _K involved in the commutation has the size of the so-called sub-transient reactance X ".

Abhängig vom jeweiligen Synchrongenerator liegt die Größe der Reaktanz X" zwischen der Streureaktanz X_σ _,s, beispielsweise im Falle einer Erregerwicklung, Dämpferwicklung oder bei ungeblechtem Eisenläufer, und der Synchronreaktanz X_d, beispielsweise bei permanentmagneterregtem Synchrongenerator mit geblechtem Läufer. Depending on the respective synchronous generator, the size of the reactance X "lies between the scattering reactance X _σ _{, s} , for example in the case of an excitation winding, damper winding or in the case of an unbonded iron rotor, and the synchronous reactance X _d , for example in the case of a permanent magnet-excited synchronous generator with a laminated rotor.

Mit der Reaktanz X_K ergibt sich ein Leistungsfaktor cosφ_s der Grundschwingung von ca. 0,9 kapazitiv bzw. übererregt, was einem Phasenwinkel cps von ungefähr 25° entspricht. Der Ständerstrom eilt der Spannung also um ca. 25° voraus. Ursächlich ist dies auf die, zur Bereitstellung der Kommutierungsblindleistung der eingesetzten Dioden erforderliche, übererregte Betriebsweise des Generators zurückzuführen. With the reactance X _K , there is a power factor cos φ _{s of} the fundamental oscillation of approx. 0.9 capacitive or overexcited, which corresponds to a phase angle cps of approximately 25 °. The stator current therefore leads the voltage by approx. 25 °. This is due to the overexcited mode of operation of the generator required to provide the commutation reactive power of the diodes used.

Diese kapazitive Betriebsweise hat zur Folge, daß bei größeren Polradwinkeln θ die Klemmenspannung U_S stärker sinkt als der Ständerstrom I_S sich erhöht, so daß die maximale Leistung des Generators nicht erst bei einem Polradwinkel θ von 90°, sondern bereits deutlich früher erreicht wird. This capacitive mode of operation has the consequence that at larger rotor angles θ the terminal voltage U _S drops more than the stator current I _S increases, so that the maximum power of the generator is not reached only at a rotor angle θ of 90 °, but much earlier.

Erläuternd sei hier festgestellt, daß der Ständerstrom I_S beim übererregten Betrieb ein elektrisches Feld erzeugt, welches das Polradfeld des Generators schwächt und auf diese Weise einen Abfall der Klemmenspannung U_S bewirkt. For explanatory purposes, it should be noted here that the stator current I _S generates an electric field during overexcited operation, which weakens the pole wheel field of the generator and in this way causes the terminal voltage U _{S to} drop.

Das Leistungsvermögen bzw. die Leistungsdichte eines Generators mit gesteuertem Gleichrichter ist gegenüber einem Generator mit ungesteuertem Gleichrichter deutlich erhöht. The performance or the power density of a generator with controlled Rectifier is clear compared to a generator with an uncontrolled rectifier elevated.

Um dementsprechend, auch bei Verwendung ungesteuerter Gleichrichter die gewünschte bzw. angestrebte Generatorleistung zu erzielen, ist entweder der Synchrongenerator leistungsbezogen entsprechend zu überdimensionieren oder die Erregung entsprechend zu erhöhen, respektive das Erregerfeld zu verstärken, was jedoch bei permanentmagneterregten Synchrongeneratoren nicht möglich ist. Accordingly, even when using uncontrolled rectifiers To achieve the desired or desired generator output is either the Synchronous generator to oversize according to performance or the excitation to increase accordingly, respectively to strengthen the pathogen field, which, however, permanent magnet excited synchronous generators is not possible.

Aufgrund der erforderlichen, leistungsbezogenen Überdimensionierung des Generators bedingt der Einsatz eines ungesteuerten Diodengleichrichters ein vergleichsweise großes Generatorvolumen und -gewicht und führt demgemäß zu einem erhöhten Kostenaufwand, sowohl die Generator- als auch die Installationskosten der gesamten Kraftanlage betreffend, da beispielsweise bei einer Windkraftanlage sowohl der den Generator tragende Turm als auch dessen zugehöriges Fundament mit entsprechender Tragkraft und Stabilität ausgeführt sein müssen. Due to the necessary, performance-related oversizing of the generator requires the use of an uncontrolled diode rectifier a comparatively large generator volume and weight and accordingly leads to an increased Cost, both the generator and installation costs of the whole Power plant, since, for example, both the generator and the wind power plant load-bearing tower as well as its associated foundation with appropriate load capacity and stability must be carried out.

Eine bekannte Möglichkeit die Überdimensionierung eines Generators zu umgehen bzw. zu vermeiden stellt die Verwendung von Kondensatoren dar, die entweder elektrisch parallel oder elektrisch in Serie bzw. Reihe zu den einzelnen Phasen des Generators geschaltet werden. In beiden Fällen wird die für die Diodenbrücke benötigte kapazitive Blindleistung vermittels der Kondensatoren bereitgestellt. Nachteile ergeben sich hierbei in Form prinzipbedingter Resonanzen, die zwischen den Kondensatoren und den Induktivitäten der Leitungen bzw. des Generators auftreten. Des weiteren sind bei vorgenannten Anordnungen in Stör- bzw. Fehlerfällen, d. h. bei plötzlichem Lastabwurf, Überspannungen aufgrund der in den Kondensatoren kapazitiv gespeicherten Energie zu erwarten. A well-known way to avoid oversizing a generator or to avoid represents the use of capacitors that either electrically parallel or electrically in series or row to the individual phases of the Generator are switched. In both cases, the one required for the diode bridge capacitive reactive power provided by the capacitors. Disadvantages arise here in the form of principle-related resonances between the capacitors and the inductances of the lines or the generator occur. Furthermore are in the case of the aforementioned arrangements in the event of faults or errors, d. H. when suddenly Load shedding, overvoltages due to capacitively stored in the capacitors Expected energy.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und des Nutzungsgrades einer Kraftanlage, insbesondere einer Windkraftanlage, mit Synchrongenerator und Gleichspannungszwischenkreis anzugeben. The object of the invention is a method and an apparatus for improving the Reliability and the degree of utilization of a power plant, especially one Wind turbine, to be specified with synchronous generator and DC link.

Vorgenannte Aufgabenstellung wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung des Nutzungsgrades und der Zuverlässigkeit einer im Bereich erneuerbarer Energiequellen, insbesondere der Windenergie, angesiedelten Kraftanlage, mit Turbine mit angekoppeltem Synchrongenerator und Gleichspannungszwischenkreis durch Verwendung eines oder mehrerer gesteuerter Stromrichter und mindestens eines Diodengleichrichters und/oder mindestens eines gesteuerten Gleichrichters in Grundfrequenztaktung gelöst. Hierbei wird die durch den Generator umgewandelte elektrische Wirkleistung mittels des jeweiligen Gleichrichters umgeformt und der Generatorstrom bezüglich Phasenwinkel und Stromharmonische durch den, in geeigneter Weise beschalteten Stromrichter eingestellt bzw. geregelt. The aforementioned task is accomplished by a method and a device for Improve the level of use and reliability of a renewable one Energy sources, especially wind energy, located power plant, with turbine with coupled synchronous generator and DC link Use of one or more controlled converters and at least one Diode rectifier and / or at least one controlled rectifier in Fundamental frequency clocking solved. Here, the electrical converted by the generator Active power is converted using the respective rectifier and the generator current with respect to phase angle and current harmonic, in a suitable manner connected converter set or regulated.

Als Gleichrichter sind hierbei, aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und vergleichsweise geringen Kosten geschätzte Diodenbrücke oder bei Betrieb in Grundfrequenztaktung ein beliebig steuerbarer Gleichrichter einsetzbar. Die sich aus diesen beiden Möglichkeiten ergebenden, alternativen Ausführungsformen werden im folgenden detailliert dargelegt. Für die Regelung der Generatorströme bezüglich Phasenwinkel und Stromharmonische wird jeweils ein in geeigneter Weise beschalteter, gesteuerter Stromrichter (GSR) eingesetzt. Are here as rectifiers, due to their reliability and comparative low cost estimated diode bridge or when operating in fundamental frequency clocking any controllable rectifier can be used. Coming from these two options resulting alternative embodiments are detailed below. For the regulation of the generator currents with regard to phase angle and current harmonics is a suitably connected, controlled power converter (GSR) used.

Die vom gesteuerten Stromrichter benötigte Blind- sowie Wirkleistung wird hierbei direkt aus dem Gleichspannungszwischenkreis entnommen. Der gesteuerte Stromrichter ist hierbei zur Diodenbrücke elektrisch parallel zu schalten, was eine Redundanz zur Folge hat, da bis zum Erreichen der ausgelegten Nennleistung des gesteuerten Stromrichters auch ein Leistungstransport auf den Gleichspannungszwischenkreis stattfinden kann. Zum Zwecke einer zusätzlichen passiven Blindleistungsbereitstellung können 3-phasige LC-Filter parallel zwischen Diodenbrücke und Synchrongenerator geschaltet werden. The reactive and active power required by the controlled converter becomes direct taken from the DC link. The controlled converter is electrically parallel to the diode bridge, which results in redundancy has, until the rated power of the controlled converter is reached power can also be transferred to the DC link. For the purpose of additional passive reactive power provision, 3-phase LC filters can be connected in parallel between the diode bridge and the synchronous generator.

Um einen Betriebspunkt der Kraftanlage zu erreichen, an dem die Polradspannung U_p näherungsweise der Klemmenspannung U_S entspricht, wird mit Hilfe des Stromrichters entweder ein größtenteils kapazitiver Strom I_B oder eine Spannung U_B eingeprägt, so daß der Diodengleichrichter weiterhin erfolgreich kommutieren kann. In order to reach an operating point of the power plant at which the pole wheel voltage U _p approximately corresponds to the terminal voltage U _S , either a largely capacitive current I _B or a voltage U _{B is} impressed with the aid of the converter, so that the diode rectifier can continue to commute successfully.

Die maßgebliche Aufgabe des eingesetzten gesteuerten Stromrichters besteht in der Korrektur des Leistungsfaktors cosφ_s, darüber hinaus ist mit seiner Hilfe und einer entsprechenden Regelung jedoch auch eine Kompensation der von der Diodenbrücke in den Generatorströmen I_s verursachten Oberschwingungen durchführbar. The main task of the controlled converter used is to correct the power factor cos φ _s , but with its help and a corresponding control, it is also possible to compensate for the harmonics caused by the diode bridge in the generator currents I _s .

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zu seiner Durchführung erforderliche Vorrichtung zur Lösung der gestellten Aufgabe können hierbei auf unterschiedliche Art und Weise durchgeführt bzw. verwirklicht werden:

1. Bei Einspeisung auf eine induktive Gleichstromseite ist der gesteuerte Stromrichter stromeinprägend anzuschließen bzw. zu beschalten. Zu diesem Zweck werden zusätzliche Drosseln oder Spulen, die nachfolgend auch als Reaktanzen X_B bezeichnet sind, eingesetzt. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß ein Leistungstransfer über die Diodenbrücke nur dann erfolgen kann, wenn die Gleichspannung U_DC des Gleichspannungszwischenkreises kleiner als die verkettete Spannung des Generators ist. Der gesteuerte Stromrichter hingegen, beispielsweise ein IGBT- Stromrichter, benötigt für einen geregelten Betrieb jedoch eine Gleichspannung U_DC die größer als die verkettete Generatorspannung ist. Diese beiden Anforderungen an die Gleichspannung U_DC scheinen nicht miteinander vereinbar. Deshalb muß bei einem direkten Anschluß des Stromrichters an den Gleichspannungszwischenkreis die Ausgangsspannung des eingesetzten gesteuerten Stromrichters mit Hilfe eines Transformators angehoben werden. Die Drosseln mit der Induktivität L_B bzw. die zugehörigen Reaktanzen X_B sind hierbei in den Transformator integrierbar.
Zur Dämpfung der Schaltharmonischen des gesteuerten Stromrichters kann optional eine Implementierung von Filterkondensatoren vorgenommen werden.
2. Wird jedoch auf einen kapazitiven Gleichspannungszwischenkreis eingespeist, so ist der gesteuerte Stromrichter spannungseinprägend anzuschließen bzw. zu beschalten. Die Blind- und Wirkleistungsbereitstellung erfolgt auch hier direkt durch den Gleichspannungszwischenkreis. Um den gesteuerten Stromrichter spannungseinprägend, vermittels entsprechender Koppeltransformatoren, elektrisch parallel zur Diodenbrücke, gleichspannungsseitig direkt an den Gleichspannungszwischenkreis anzuschließen, sind keine zusätzlichen Transformatoren zur Spannungsanhebung erforderlich, da die Spannungsanhebung mittels der vorhandenen Koppeltransformatoren durchgeführt werden kann. Die Ver- bzw. Beschaltung der Koppeltransformatoren erfolgt hierbei bei einer dreiphasigen Wechselspannungsseite entweder in Stern- oder Dreieckschaltung.
3. Alternativ zu einem einzigen dreiphasigen gesteuerten Stromrichter, ist auch eine Anordnung mit je einem einphasigen gesteuerten Stromrichter pro Phase ausführbar. Auch hier wird die erforderliche Blind- und Wirkleistung durch den Gleichspannungszwischenkreis direkt bereitgestellt. Zur Dämpfung der Schaltharmonischen des gesteuerten Stromrichters ist auch hier ein entsprechender Filter vorzusehen.
4. Anteilig läßt sich die bereitzustellende kapazitive Blindleistung auch durch zusätzliche LC-Filter erbringen, die es erlauben den gesteuerten Stromrichter entsprechend kleiner zu dimensionieren. Die LC-Filter sind hierbei elektrisch parallel zwischen Diodenbrücke und Synchrongenerator geschaltet.

The method according to the invention and the device required for carrying it out to accomplish the task can be carried out or implemented in different ways:

1. When feeding on an inductive DC side, the controlled converter must be connected or wired in a current-impressing manner. For this purpose, additional chokes or coils, which are also referred to below as reactances X _B , are used. However, it should be noted here that a power transfer via the diode bridge can only take place if the DC voltage U _{DC of} the DC voltage intermediate circuit is less than the chained voltage of the generator. However, the controlled converter, for example an IGBT converter, requires a DC voltage U _DC which is greater than the linked generator voltage for regulated operation. These two requirements for the DC voltage U _DC do not seem to be compatible with each other. Therefore, if the converter is connected directly to the DC link, the output voltage of the controlled converter used must be raised using a transformer. The chokes with the inductance L _B or the associated reactances X _B can be integrated into the transformer.
To dampen the switching harmonics of the controlled power converter, filter capacitors can optionally be implemented.
2. If, however, a capacitive DC voltage intermediate circuit is fed in, the controlled converter must be connected or wired in a voltage-impressing manner. The reactive and active power is also provided directly by the DC link. In order to connect the controlled power converter in a voltage-impressing manner by means of appropriate coupling transformers, electrically parallel to the diode bridge, directly on the DC voltage side to the DC voltage intermediate circuit, no additional transformers are required to increase the voltage, since the voltage increase can be carried out using the existing coupling transformers. The coupling transformers are connected or wired to a three-phase AC side either in a star or delta connection.
3. As an alternative to a single three-phase controlled converter, an arrangement with one single-phase controlled converter per phase can also be carried out. Here too, the required reactive and active power is provided directly by the DC link. To dampen the switching harmonics of the controlled converter, a corresponding filter must also be provided here.
4. The capacitive reactive power to be provided can also be provided proportionally by means of additional LC filters, which allow the controlled converter to be dimensioned correspondingly smaller. The LC filters are electrically connected in parallel between the diode bridge and the synchronous generator.

Anstelle eines einzigen mehrphasigen gesteuerten Stromrichters ist auch hier je ein einphasiger gesteuerter Stromrichter pro Phase einsetzbar, wobei bei einem dreiphasigen System auf einen der drei gesteuerten Stromrichter verzichtet werden kann, da sich der Strom in einer der drei Phasen stets aus den beiden anderen ergibt. Instead of a single multi-phase controlled converter, there is also one each single-phase controlled power converter can be used per phase, with one three-phase system, one of the three controlled converters can be dispensed with, because the current in one of the three phases always results from the other two.

Wird für den Leistungstransfer ein gesteuerter Gleichrichter mit Grundfrequenztaktung (GFT) verwendet, so ist der Phasenwinkel der Grundwelle der Generatorströme frei einstellbar. Demzufolge ist hier keine Korrektur des Leistungsfaktors durch den gesteuerten Stromrichter erforderlich, sondern es sind lediglich die harmonischen Ströme durch den GSR herauszufiltern. Dadurch kann der gesteuerte Stromrichter sowohl geometrisch als auch leistungsbezogen kleiner dimensioniert werden. Becomes a controlled rectifier with fundamental frequency switching for the power transfer (GFT) is used, the phase angle of the fundamental wave of the generator currents is free adjustable. Therefore there is no correction of the power factor by the controlled converter required, it is only the harmonic currents filtered out by the GSR. As a result, the controlled converter can both be dimensioned smaller in terms of geometry and performance.

Die von der Diodenbrücke im Generator verursachten Harmonischen können kompensiert werden, was zu einer Verlustreduzierung führt. Bei alleiniger Verwendung einer Diodenbrücke lückt bei kleiner Leistung, d. h. kleiner Drehzahl des Generators, insbesondere einer Windkraftanlage der Ständerstrom. Dies resultiert daher, daß bei kleinen Drehzahlen die drehzahlabhängige Rotationsspannung oder Polradspannung U_p sehr klein ist, die Spannung auf der Gleichspannungsseite demgegenüber in einem bestimmten Bereich aber konstant bleibt. Mittels des gesteuerten Stromrichters ist es nun möglich, das Lücken des Stromes zu vermeiden, was unter anderem eine Verringerung der Momentenpulsationen und damit eine geringere mechanische Beanspruchung von Generator, Turbine bzw. Rotor und Turm zur Folge hat, wodurch sowohl die Lebensdauer als auch die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage erhöht wird. Auch der Nutzungsgrad der Anlage läßt sich auf diese Weise, durch Vermeidung des Lückens sowie der aufgrund der geringeren mechanischen Beanspruchung entfallenden Wartungs- und Reparaturarbeiten und damit Kosten vergleichsweise deutlich erhöhen. The harmonics caused by the diode bridge in the generator can be compensated, which leads to a reduction in losses. If only a diode bridge is used, the stator current is limited with low power, ie low generator speed, in particular in a wind turbine. This results from the fact that at low speeds the speed-dependent rotational voltage or pole wheel voltage U _{p is} very small, but the voltage on the DC voltage side remains constant in a certain range. By means of the controlled converter, it is now possible to avoid gaps in the current, which among other things results in a reduction in the torque pulsations and thus a lower mechanical stress on the generator, turbine or rotor and tower, which means both the service life and the reliability the entire system is increased. The degree of utilization of the system can also be increased significantly in this way, by avoiding gaps and the maintenance and repair work that is eliminated due to the lower mechanical stress and thus costs.

Die von dem in Grundfrequenz getakteten Gleichrichter verursachten harmonischen Stromoberschwingungen im Generator können ebenfalls mit Hilfe des erfindungsgemäß eingesetzten gesteuerten Stromrichters kompensiert werden, was zu einer Verlustreduzierung und einem ebenfalls verbesserten Nutzungsgrad führt. The harmonics caused by the rectifier clocked at the fundamental frequency Current harmonics in the generator can also be achieved with the aid of the invention used controlled converter are compensated, resulting in a Loss reduction and also an improved degree of utilization leads.

Eine Parallelschaltung von Diodenbrücke oder in Grundfrequenz getaktetem Gleichrichter und gesteuertem Stromrichter stellt eine Redundanz dar, die es ermöglicht, trotz Ausfall einer der beiden eingesetzten Komponenten den Generator weiterhin in Betrieb zu halten. Solch ein Fall führt zwar zu einer Leistungseinbuße, da zum einen der Synchrongenerator nicht für den ausschließlichen Betrieb an einer Diodenbrücke oder einem in Grundfrequenz getakteten Gleichrichter, zum anderen der dazu parallel geschaltete gesteuerte Stromrichter nicht für die volle Scheinleistung des Synchrongenerators ausgelegt ist. A parallel connection of a diode bridge or clocked in basic frequency Rectifier and controlled converter represents a redundancy that makes it possible despite Failure of one of the two components used continues to operate the generator to keep. Such a case leads to a loss of performance because, on the one hand, the Synchronous generator not for the exclusive operation on a diode bridge or a rectifier clocked in fundamental frequency, and the other in parallel switched controlled converters not for the full apparent power of the Synchronous generator is designed.

Im Falle einer induktiven Gleichstromseite bewirkt der gesteuerte Stromrichter hinsichtlich der Diodenbrücke auch eine Verringerung der generatorseitigen Kommutierungsinduktivitäten. Dies bedeutet, daß der Leistungsfaktor cosφ_DB der Diodenbrücke nur noch von ihren eigenen Kommutierungsinduktivitäten abhängt, und somit wesentlich höher, d. h. annähernd gleich 1 ist. Da der für eine erfolgreiche Kommutierung erforderliche Strom I_B demgemäß sehr viel geringer ausfällt, wird hierdurch sowohl eine leistungsbezogen kleinere Auslegung bzw. Dimensionierung der Diodenbrücke sowie des gesteuerten Stromrichters und damit auch eine Reduktion der Installationskosten sowie resultierend eine Erhöhung des Nutzungsgrades erreicht. In the case of an inductive direct current side, the controlled converter also reduces the commutation inductances on the generator side with regard to the diode bridge. This means that the power factor cos _{DB DB of} the diode bridge only depends on its own commutation inductances and is therefore significantly higher, ie approximately equal to 1. Since the current I _B required for successful commutation is correspondingly much lower, this results in both a performance-related smaller design or dimensioning of the diode bridge and the controlled converter, and thus a reduction in installation costs and, as a result, an increase in the degree of utilization.

Die weitere Erläuterung und Darlegung der Erfindung erfolgt anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen. The further explanation and explanation of the invention is based on drawings and embodiments.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Figurenbeschreibungen und den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Further advantageous embodiments of the invention are the figure descriptions and the dependent claims.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 Einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit entsprechenden Raumzeigergrößen. Fig. 1 single-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with corresponding space vector sizes.

Fig. 2 Zu Fig. 1 gehöriges Zeigerdiagramm eines Synchrongenerators mit gesteuertem Gleichrichter. Fig. 2 belonging to Fig. 1 diagram of a synchronous generator with a controlled rectifier.

Fig. 3 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines übererregten Synchrongenerators mit Diodengleichrichter bei einem Leistungsfaktor von 0,9 und kleinem Polradwinkel. Fig. 3 vector diagram of the voltage behavior of an overexcited synchronous generator with diode rectifier with a power factor of 0.9 and a small magnet wheel angle.

Fig. 4 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines übererregten Synchrongenerators mit Diodengleichrichter bei einem Leistungsfaktor von 0,9 und großem Polradwinkel. Fig. 4 vector diagram of the voltage behavior of an overexcited synchronous generator with a diode rectifier with a power factor of 0.9 and a large magnet wheel angle.

Fig. 5 Einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und induktivem Gleichspannungszwischenkreis. Fig. 5 Single-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with current-impressing, controlled converter, rectifier and inductive DC voltage intermediate circuit.

Fig. 6 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und induktivem Gleichspannungszwischenkreis. Fig. 6 vector diagram of the voltage behavior of a synchronous generator with current-impressing, controlled power converter, rectifier and inductive DC voltage intermediate circuit.

Fig. 7 Einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis. Fig. 7 Single-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with voltage-impressing, controlled converter, rectifier and capacitive DC voltage intermediate circuit.

Fig. 8 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis. Fig. 8 vector diagram of the voltage behavior of a synchronous generator with voltage-impressing, controlled power converter, rectifier and capacitive DC voltage intermediate circuit.

Fig. 9 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem gesteuertem Stromrichter, Gleichrichter und induktivem Gleichspannungszwischenkreis. Fig. 9 vector diagram of the voltage behavior of a synchronous generator with current-impressing controlled converter, rectifier and inductive DC voltage intermediate circuit.

Fig. 10 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter. Fig. 10 three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with current-impressing, controlled converter.

Fig. 11 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit in Dreieckschaltung verschalteten Koppeltransformatoren. Fig. 11 Three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with voltage-impressing, controlled power converter with coupling transformers connected in a delta connection.

Fig. 12 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit in Sternschaltung verschalteten Koppeltransformatoren. Fig. 12 Three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with voltage-impressing, controlled power converter with coupling transformers connected in a star connection.

Fig. 13 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit je einem spannungseinprägenden, einphasigen, gesteuerten Stromrichter mit Koppeltransformator pro Phase. Fig. 13 Three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator, each with a voltage-impressing, single-phase, controlled power converter with coupling transformer per phase.

Fig. 14 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit je einem spannungseinprägenden, einphasigen, gesteuerten Stromrichter ohne Koppeltransformator pro Phase. Fig. 14. Three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with a respective voltage-single phase-controlled power converter without coupling transformer per phase.

Fig. 15 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit je einem stromeinprägenden, gesteuerten Stromrichter pro Phase. Fig. 15 Three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with one stromeinprägenden, controlled power converter per phase.

Fig. 16 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit parallelem LC-Filter, parallel zu Diodengleichrichter an Gleichspannungszwischenkreis. Fig. 16 Three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with a current-impressing, controlled power converter with a parallel LC filter, parallel to a diode rectifier on a DC link.

Fig. 17 Dreiphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter mit in Sternschaltung verschalteten Koppeltransformatoren und parallelem LC-Filter, parallel zu Diodengleichrichter an Gleichspannungszwischenkreis. Fig. 17 Three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator with voltage-impressing, controlled power converter with coupling transformers connected in a star connection and parallel LC filter, parallel to diode rectifier on DC link.

Es sei angemerkt, daß Raumzeiger oder vektorielle Größen nachstehend durch Unterstreichung gekennzeichnet sind. It should be noted that space pointers or vectorial sizes are shown below Underline are marked.

In Fig. 1 ist das vereinfachte einphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit der Synchronreaktanz X_d, dem zu vernachlässigenden ohmschen Widerstand R_s, der Polradspannung U_p, dem Generatorstrom I _s und der Klemmen- bzw. Generatorspannung U_s gezeigt. In Fig. 1, the simplified single-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator 1 with the synchronous reactance X _d, a negligible ohmic resistance R _s, the rotor voltage U _p, the generator current I _s and the Terminal and the generator voltage U _s is.

In Fig. 2 ist das Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines untererregten Synchrongenerators 1 mit gesteuertem Gleichrichter 51 gezeigt. Das Betriebs- und damit auch Spannungsverhalten des Generators 1 läßt sich wie folgt beschreiben:

- Wird das antreibende Moment M der Welle des Generators erhöht, so nimmt dieser mechanische Leistung P_mech auf,
- das Polrad des Generators wird beschleunigt und ein Polradwinkel θ stellt sich ein,
- zwischen der, im Zeigerdiagramm vektoriell dargestellten, Polradspannung U _p und der Klemmen- oder Generatorspannung U _s tritt demgemäß eine Phasenverschiebung von θ auf,
- resultierend ergibt sich hieraus eine Differenzspannung ΔU, die den um 90° nacheilenden Generatorstrom I_s antreibt. Mit der Synchronreaktanz X_d ergibt sich für die Differenzspannung ΔU
ΔU = j.X_d.I _s
und für den Generatorstrom I _s
- über den generatorischen Wirkstrom I _s wird elektrische Leistung vom Generator an ein entsprechendes Versorgungs- und/oder Inselnetz abgegeben und ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten mechanischen Leistung P_mech und der vom Generator ins Netz transferierten elektrischen Leistung P_el, mit P_el = 3U_s.I_s.cosφ_s eingestellt.

In FIG. 2, the vector diagram is shown for the voltage behavior of an under-excited synchronous generator 1 with controlled rectifier 51st The operating and thus also voltage behavior of the generator 1 can be described as follows:

If the driving torque M of the shaft of the generator is increased, this takes up mechanical power P _mech ,
the magnet wheel of the generator is accelerated and a magnet wheel angle θ is established,
a phase shift of θ accordingly occurs between the pole wheel voltage U _p , which is shown vectorially in the vector diagram, and the terminal or generator voltage U _s ,
- This results in a differential voltage ΔU which drives the generator current I _s lagging by 90 °. The synchronous reactance X _d results in the differential voltage ΔU
ΔU = jX _d . I _s
and for the generator current I _s
- Via the active generator current I _s , electrical power is delivered by the generator to a corresponding supply and / or stand-alone network and a balance between the mechanical power P _mech supplied and the electrical power P _el transferred from the generator to the network, with P _el = 3U _s .I _s .cosφ _s set.

In Fig. 2 ist nun das Spannungsverhalten eines untererregten Synchrongenerators 1 mit gesteuertem Gleichrichter in einem Betriebspunkt gezeigt, in welchem die Polradspannung U _p vom Betrag in etwa dem Betrag der Klemmenspannung U _S entspricht bzw. der Phasenwinkel cps zwischen dem Raumzeiger der Klemmenspannung U _S und dem Generatorstrom I _S ungefähr dem halben Polradwinkel θ/2 entspricht. In Fig. 2, the voltage behavior of an under-excited synchronous generator 1 with a controlled rectifier is shown at an operating point in which the magnet wheel voltage U _p corresponds approximately to the amount of the terminal voltage U _S or the phase angle cps between the space vector of the terminal voltage U _S and the generator current I _S corresponds approximately to half the rotor angle θ / 2.

In Fig. 3 ist das Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators 1 mit ungesteuertem Diodengleichrichter bei kleinem Polradwinkel θ gezeigt, wobei der Generator 1 zur Bereitstellung der Kommutierungsblindleistung der Dioden übererregt betrieben wird. Aufgrund der übererregten Betriebsweise des Generators 1 ergibt sich ein Leistungsfaktor cosφ_s von ca. 0,9, was einem Phasenwinkel φ_s von ungefähr 25° entspricht. Im Zeigerdiagramm vektoriell aufgetragen ist die Klemmenspannung U _s, die Polradspannung U _p, die sich durch den Polradwinkel θ ergebende Differenzspannung jX_d I _s mit der Synchronreaktanz X_d und dem Generatorstrom I _s. In Fig. 3 the vector diagram is shown θ to the voltage behavior of a synchronous generator 1 with uncontrolled diode rectifier with a small angular displacement, the generator 1 to provide the commutation of the diode is operated over-excited. Due to the overexcited mode of operation of generator 1 , a power factor cos φ _s of approximately 0.9 results, which corresponds to a phase angle φ _s of approximately 25 °. The vector diagram shows the terminal voltage U _s , the magnet wheel voltage U _p , the differential voltage jX _d I _s resulting from the magnet wheel angle θ with the synchronous reactance X _d and the generator current I _s .

Das entsprechende Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators 1 mit ungesteuertem Diodengleichrichter 51 bei großem Polradwinkel θ ist in Fig. 4 gezeigt. The corresponding vector diagram for the voltage behavior of a synchronous generator 1 with an uncontrolled diode rectifier 51 with a large magnet wheel angle θ is shown in FIG. 4.

Aus dem Vergleich der Fig. 3 und 4 ist ersichtlich, daß bei großem Polradwinkel θ die Klemmenspannung U_s stärker abnimmt, als sich der Ständer- bzw. Generatorstrom I_s erhöht, so daß die maximale Leistung des Generators nicht erst bei einem Polradwinkel θ von 90°, sondern bereits früher erreicht wird. Der Ständerstrom I_s erzeugt hierbei ein das Polradfeld schwächendes Feld, welches für den starken Abfall der Klemmenspannung U_s verantwortlich ist. It can be seen from the comparison of FIGS. 3 and 4 that with a large magnet wheel angle θ the terminal voltage U _s decreases more than the stator or generator current I _s increases, so that the maximum power of the generator does not start at a magnet wheel angle θ of 90 °, but is reached earlier. The stator current I _s generates a field weakening the pole wheel field, which is responsible for the sharp drop in the terminal voltage U _s .

In Fig. 5 ist das einphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51 und induktivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der gesteuerte Stromrichter 50 ist elektrisch parallel zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51, sowie elektrisch parallel zur Diodenbrücke des Gleichrichters 51 geschaltet. Hierbei sind zusätzliche Drosseln oder Spulen mit den Induktivitäten L_B, die im Ersatzschaltbild als Reaktanzen X_B verdeutlicht sind, zu implementieren. In FIG. 5, the single-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator 1 with stromeinprägendem, controlled converter 50, the rectifier 51 and inductive DC voltage intermediate circuit is shown. The controlled converter 50 is electrically connected in parallel between the generator 1 and the diode rectifier 51 , and electrically in parallel with the diode bridge of the rectifier 51 . Additional chokes or coils with inductances L _B , which are shown in the equivalent circuit diagram as reactances X _B , must be implemented.

Das zu Fig. 5 gehörige Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten des vorgenannten Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50 ist in Fig. 6 gezeigt. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U _s vom Betrag näherungsweise dem Betrag der Polradspannung U _p entspricht, wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter 51 dem Diodenstrom I _DB der Strom I _B des Stromrichters 50 aufgeprägt und somit der resultierende Generatorstrom I _s gebildet. The vector diagram belonging to FIG. 5 for the voltage behavior of the aforementioned synchronous generator 1 with a current-impressing, controlled converter 50 is shown in FIG. 6. In order to achieve an operating point of the generator 1, wherein the terminal voltage U _s by the amount is approximately the magnitude of the synchronous generated voltage U _p corresponds to ensure successful commutation with exclusive use of a diode bridge as rectifier 51 is the diode current I _DB of the current I _B of the converter 50 impressed and thus the resulting generator current I _s formed.

In Fig. 7 ist das einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51, Koppeltransformator 60 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der Stromrichter 50 ist über den Koppeltransformator 60 primär- bzw. wechselspannungsseitig zwischen Diodengleichrichter 51 und Generator 1 elektrisch in Reihe und parallel zur Diodenbrücke des Gleichrichters 51 geschaltet. In Fig. 7, the single-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator 1 with spannungeinprägendem, controlled power converters 50, rectifier 51, switching transformer 60 is shown and capacitive DC voltage intermediate circuit. The converter 50 is electrically connected in series and parallel to the diode bridge of the rectifier 51 via the coupling transformer 60 on the primary or AC voltage side between the diode rectifier 51 and the generator 1 .

Das zu Fig. 7 gehörige Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten des vorgenannten Synchrongenerators 1 mit spannungseinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50 ist in Fig. 8 gezeigt. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U _s vom Betrag näherungsweise der Polradspannung U _p entspricht wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung, d. h. ohne Kommutierungsunterbrechungen bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter der Diodenspannung U _DB über den Koppeltransformator 60 der Spannungswert U _B des gesteuerten Stromrichters 50 aufgeprägt und resultierend die Ständerspannung U _S gebildet. Aus der Ständerspannung U _S und der Polradspannung U _p ergibt sich unter Kenntnis der Synchronreaktanz X_d der Ständer- bzw. Generatorstrom I _s. The vector diagram belonging to FIG. 7 for the voltage behavior of the aforementioned synchronous generator 1 with voltage-impressing, controlled converter 50 is shown in FIG. 8. In order to achieve an operating point of the generator 1 at which the terminal voltage U _s approximately corresponds to the magnet wheel voltage U _p to ensure successful commutation, ie without commutation interruptions when a diode bridge is used exclusively as a rectifier of the diode voltage U _DB via the coupling transformer 60, the voltage value U _{B of} the controlled converter 50 is impressed and the stator voltage U _{S is} formed as a result. Knowing the synchronous reactance X _d, the stator or generator current I _s results from the stator voltage U _S and the magnet wheel voltage U _p .

Im Falle einer induktiven Gleichspannungsseite bewirkt der gesteuerte Stromrichter 50 bezüglich der Diodenbrücke auch eine Verringerung der generatorseitigen Kommutierungsinduktivitäten. Das heißt, daß der Leistungsfaktor der Diodenbrücke cosφ_DB nur noch von ihren eigenen Kommutierungsinduktivitäten abhängt, und somit wesentlich höher, d. h. cosφ_DB≍1, ausfällt. Dadurch können sowohl die Diodenbrücke als auch der gesteuerte Stromrichter 50 Leistungsbezogen kleiner dimensioniert werden, da der erforderliche Strom I _B zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung deutlich verringert wird. Dies ist in Fig. 9 mittels einer Raumzeigerdarstellung gezeigt. Ausgehend vom durch die Diodenbrücke fließenden Strom I _DB ist unter der Annahme, daß lediglich die Kommutierungsinduktivität der Diodenbrücke wirksam ist im Vergleich mit Fig. 6 hier ein deutlich geringerer Strom I _B des gesteuerten Stromrichters 50 zur Erreichung eines bezüglich Phase und Amplitude identischen Stromes I _s zu erbringen. In the case of an inductive DC voltage side, the controlled converter 50 also brings about a reduction in the commutation inductances on the generator side with respect to the diode bridge. This means that the power factor of the diode bridge cosφ _DB only depends on its own commutation inductances, and is therefore much higher, ie cosφ _DB ≍1. As a result, both the diode bridge and the controlled converter 50 can be dimensioned to be smaller in relation to the power, since the current I _B required to ensure successful commutation is significantly reduced. This is shown in FIG. 9 by means of a space pointer representation. Starting from the current I _DB flowing through the diode bridge, it is assumed that only the commutation inductance of the diode bridge is effective in comparison with FIG. 6 here a significantly lower current I _{B of} the controlled converter 50 in order to achieve a current I _{s which is} identical in terms of phase and amplitude to provide.

In Fig. 10 ist das dreiphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem, gesteuertem Blindleistungsstromrichter 50, Gleichrichter 51, beispielsweise in Form einer Diodenbrücke und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der dreiphasige gesteuerte Stromrichter 50 ist über die drei Phasen elektrisch parallel zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet. Hierbei sind zusätzliche Drosseln oder Spulen mit den Induktivitäten L_B, die im Ersatzschaltbild als Reaktanzen X_B verdeutlicht sind, zu implementieren. Wird, wie in Fig. 10 gezeigt, die benötigte Blind- und Wirkleistung direkt dem kapazitiven Gleichspannungszwischenkreis entzogen, so muß die Ausgangsspannung U_B des gesteuerten Stromrichters 50 mittels eines Transformators 101 angehoben werden. Dies resultiert daraus, daß zum Betrieb des gesteuerten Stromrichters 50 eine Gleichspannung U_DC erforderlich ist, die größer als die verkettete Generatorspannung zu sein hat, gleichzeitig jedoch ein Leistungstransfer über die Diodenbrücke nur dann erfolgen kann, wenn die verkettete Generatorspannung größer als der Spannungswert U_DC des Gleichspannungszwischenkreises ist. Zwei Forderungen, die sich nur durch Anheben der Ausgangsspannung U_B des gesteuerten Stromrichters 50, beispielsweise mittels eines entsprechenden Transformators 101, miteinander vereinbaren lassen. In Fig. 10, the three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator 1 with stromeinprägendem, controlled reactive power converter 50, the rectifier 51, shown for example in the form of a diode bridge and a capacitive DC voltage intermediate circuit. The three-phase controlled converter 50 is electrically connected in parallel over the three phases between generator 1 and diode rectifier 51 . Additional chokes or coils with inductances L _B , which are shown in the equivalent circuit diagram as reactances X _B , must be implemented. If, as shown in FIG. 10, the reactive and active power required is drawn directly from the capacitive DC voltage intermediate circuit, the output voltage U _{B of} the controlled converter 50 must be raised by means of a transformer 101 . This results from the fact that a DC voltage U _{DC is} required to operate the controlled converter 50, which DC voltage must be greater than the chained generator voltage, but at the same time a power transfer can only take place via the diode bridge if the chained generator voltage is greater than the voltage value U _DC of the DC link. Two requirements that can only be reconciled by raising the output voltage U _{B of} the controlled converter 50 , for example by means of a corresponding transformer 101 .

In den Ersatzschaltbildern zusätzlich erfaßt sind die 3-phasigen Größen, wie beispielsweise die Polradspannungen U_p1, U_p2 Und U_p3, die Synchronreaktanz X_d sowie die Drosselreaktanz X_B und die aus der Beaufschlagung der Ströme I_B1, I_B2 und I_B3 des gesteuerten Stromrichters 51 auf die Diodenströme I_DB1, I_DB2 und I_DB3 resultierenden Generator- bzw. Stator- oder Ständerströme I_s1, I_s2 und I_s3 der jeweiligen Phase. The equivalent circuit diagrams also include the 3-phase variables, such as the pole wheel voltages U _p1 , U _p2 and U _p3 , the synchronous _reactance X _d and the choke reactance X _B and those from the application of the currents I _B1 , I _B2 and I _{B3 of} the Controlled converter 51 on the diode currents I _DB1 , I _DB2 and I _DB3 resulting generator or stator or stator currents I _s1 , I _s2 and I _{s3 of} the respective phase.

Bei einem Synchrongenerator 1 mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51, Koppeltransformatoren 60 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis ergeben sich unterschiedliche Beschaltungsmöglichkeiten. In the case of a synchronous generator 1 with voltage-impressing, controlled converter 50 , rectifier 51 , coupling transformers 60 and capacitive DC voltage intermediate circuit, there are different connection options.

So können die Koppeltransformatoren 60 entweder mittels einer Dreieckschaltung, siehe Fig. 11, oder aber, wie in Fig. 12 gezeigt, mittels einer Sternschaltung untereinander verknüpft werden. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U_s näherungsweise der Polradspannung U_p entspricht, wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung, d. h. ohne Kommutierungsunterbrechungen, bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter 51, den jeweiligen Diodenspannungen U_DB1, U_DB2 und U_DB3 über die Koppeltransformatoren 60 die Spannungen U_B1, U_B2 und U_B3 des gesteuerten Stromrichters 50 aufgeprägt und damit resultierend die Ständerspannung U_S gebildet. Aus der Ständerspannung U_s und der Polradspannung U_p ergibt sich dann unter Kenntnis der Synchronreaktanz X_d der Ständer- bzw. Generatorstrom I_S. The coupling transformers 60 can thus be linked to one another either by means of a delta connection, see FIG. 11, or, as shown in FIG. 12, by means of a star connection. To achieve an operating point of the generator 1 , at which the terminal voltage U _s approximately corresponds to the pole wheel voltage U _p , to ensure successful commutation, ie without commutation interruptions, with the exclusive use of a diode bridge as rectifier 51 , the respective diode voltages U _DB1 , U _DB2 and The voltages U _B1 , U _B2 and U _{B3 of} the controlled converter 50 are impressed on the U _DB3 via the coupling transformers 60 and the stator voltage U _{S is} thus formed. Knowing the synchronous reactance X _d, the stator or generator current I _S then results from the stator voltage U _s and the magnet wheel voltage U _p .

Alternativ zur Verwendung eines dreiphasigen, gesteuerten Stromrichters 50 bietet sich auch der Einsatz einer entsprechenden Anzahl von einphasigen, gesteuerten Stromrichtern 50 an. Einige sich hieraus ergebenden schaltungsspezifischen Ausführungsformen sind in den Fig. 13 bis 15 gezeigt. As an alternative to using a three-phase, controlled converter 50 , it is also possible to use a corresponding number of single-phase, controlled converters 50 . Some resulting circuit-specific embodiments are shown in FIGS. 13 to 15.

In Fig. 13 ist ein dreiphasiger Synchrongenerator mit den jeweiligen pro Phase auftretenden Polradspannungen U_p1, U_p2 und U_p3 mit je einem spannungseinprägenden gesteuerten Stromrichter 50 mit Koppeltransformator 60 pro Phase gezeigt. Die erforderliche Blind- und Wirkleistung zur Generierung der individuellen Ströme I_B1, I_B2 und I_B3 der jeweiligen spannungseinprägenden, einphasigen gesteuerten Stromrichter 50 wird durch direkte Anbindung derselben an den Gleichspannungszwischenkreis vermittels entsprechender Koppeltransformatoren 60 bereitgestellt. In Fig. 13 is a three phase synchronous generator with the respective occurring per phase Polradspannungen U _p1, U _p2 and _p3 U shown, each with a voltage-controlled power converter 50 with coupling transformer 60 per phase. The reactive and active power required to generate the individual currents I _B1 , I _B2 and I _{B3 of} the respective voltage-impressing, single-phase controlled converters 50 is provided by directly connecting them to the DC link by means of corresponding coupling transformers 60 .

Auch eine direkte Spannungseinprägung, ohne zwischengeschaltete Koppeltransformatoren 60, ist, wie in Fig. 14 gezeigt, bei Verwendung einphasiger gesteuerter Stromrichter 50 möglich. Die einzelnen gesteuerten Stromrichter 50 sind hierbei in der jeweiligen Phase zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51 elektrisch in Reihe geschaltet und beziehen die zur Erzeugung der einzuprägenden Spannungen U_B1, U_B2 und U_B3 erforderliche Blind- und Wirkleistung jeweils aus dem Gleichspannungszwischenkreis. Direct voltage injection, without intermediate coupling transformers 60 , is also possible, as shown in FIG. 14, when using single-phase controlled converters 50 . The individual controlled converters 50 are electrically connected in series in the respective phase between generator 1 and diode rectifier 51 and draw the reactive and active power required to generate the voltages U _B1 , U _B2 and U _{B3 to} be impressed in each case from the DC voltage intermediate circuit.

Bei Einsatz je eines stromeinprägenden, gesteuerten Stromrichters 50 pro Phase, wie in Fig. 15 gezeigt, ist bei einem dreiphasigen Synchrongenerator 1 mit Diodengleichrichter 51 jeweils ein gesteuerter Stromrichter 50 elektrisch eingangsseitig mit der ersten und ausgangsseitig mit der dritten, einer eingangsseitig mit der zweiten und ausgangsseitig mit der ersten und einer eingangsseitig mit der dritten und ausgangsseitig mit der zweiten Phase verbunden. Die Blind- und Wirkleistungsbereitstellung erfolgt aus dem Gleichspannungszwischenkreis. When using a current-impressing, controlled converter 50 per phase, as shown in FIG. 15, in a three-phase synchronous generator 1 with diode rectifier 51 , a controlled converter 50 is in each case electrically connected on the input side to the first and on the output side by the third, one on the input side by the second and connected on the output side to the first and one on the input side to the third phase and on the output side to the second phase. The reactive and active power is provided from the DC link.

Alternativ läßt ich statt eines Gleichrichters 51 in Form einer Diodenbrücke stets auch ein gesteuerter Gleichrichter, beispielsweise mit IGBT's oder Thyristoren, mit Grundfrequenztaktung einsetzen. Alternatively, instead of a rectifier 51 in the form of a diode bridge, I always use a controlled rectifier, for example with IGBTs or thyristors, with fundamental frequency clocking.

Zusätzlich lassen sich, wie exemplarisch in den Fig. 16 und 17 gezeigt, in allen durch die Fig. 10 bis 15 sowie den zugehörigen Beschreibungen dargelegten Ausführungsformen zur anteiligen Blindleistungsbereitstellung zusätzliche 3-phasige LC-Filter elektrisch parallel zu Generator 1 und Diodengleichrichter 51 schalten. In addition, as shown by way of example in FIGS. 16 and 17, additional 3-phase LC filters can be electrically connected in parallel to generator 1 and diode rectifier 51 in all the embodiments set out in FIGS . 10 to 15 and the associated descriptions for the provision of reactive power.

In Fig. 16 ist, entsprechend Fig. 10, das dreiphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators 1 mit stromeinprägendem gesteuertem Stromrichter 50, Diodenbrücke 51 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt. Der dreiphasige gesteuerte Stromrichter 50 ist über die drei Phasen elektrisch parallel zwischen Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet. Hierbei sind zusätzliche Drosseln oder Spulen mit den Induktivitäten L_B, die im Ersatzschaltbild als Reaktanzen X_B verdeutlicht sind, zu implementieren. Wird, wie in Fig. 10 gezeigt, die benötigte Blind- und Wirkleistung direkt dem kapazitiven Gleichspannungszwischenkreis entzogen, so muß die Ausgangsspannung U_B des gesteuerten Stromrichters 50 mittels eines Transformators 101 angehoben werden. Zusätzlich ist hier zur anteiligen Blindleistungsbereitstellung ein 3-phasiges LC- Filter 160 elektrisch parallel zum Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet. In FIG. 16, corresponding to FIG. 10, the three-phase equivalent circuit diagram of a synchronous generator 1 with a current-impressing controlled converter 50 , diode bridge 51 and capacitive DC voltage intermediate circuit is shown. The three-phase controlled converter 50 is electrically connected in parallel over the three phases between generator 1 and diode rectifier 51 . Additional chokes or coils with inductances L _B , which are shown in the equivalent circuit diagram as reactances X _B , must be implemented. If, as shown in FIG. 10, the reactive and active power required is drawn directly from the capacitive DC voltage intermediate circuit, the output voltage U _{B of} the controlled converter 50 must be raised by means of a transformer 101 . In addition, a 3-phase LC filter 160 is electrically connected in parallel to the generator 1 and diode rectifier 51 for the provision of reactive power.

In Fig. 17 ist, entsprechend Fig. 11, ein Synchrongenerator 1 mit spannungeinprägendem, gesteuertem Stromrichter 50, Gleichrichter 51, Koppeltransformatoren 60 und kapazitivem Gleichspannungszwischenkreis gezeigt, wobei die Koppeltransformatoren 60 in Dreieckschaltung untereinander verknüpft sind. Zur Erreichung eines Betriebspunktes des Generators 1, bei welchem die Klemmenspannung U_s näherungsweise der Polradspannung U_p entspricht, wird zur Gewährleistung einer erfolgreichen Kommutierung, d. h. ohne Kommutierungsunterbrechungen, bei ausschließlicher Verwendung einer Diodenbrücke als Gleichrichter 51, den jeweiligen Diodenspannungen U_DB1, U_DB2 und U_DB3 über die Koppeltransformatoren 60 die Spannungen U_B1, U_B2 und U_B3 des gesteuerten Stromrichters 50 aufgeprägt und damit resultierend die Ständerspannung U_s gebildet. Aus der Ständerspannung U_s und der Polradspannung U_p ergibt sich dann unter Kenntnis der Synchronreaktanz X_d der Ständer- bzw. Generatorstrom I_s. Auch hier ist zur anteiligen Blindleistungsbereitstellung ein zusätzliches 3-phasiges LC-Filter 160 elektrisch parallel zum Generator 1 und Diodengleichrichter 51 geschaltet. In FIG. 17, corresponding to FIG. 11, a synchronous generator 1 with voltage-impressing, controlled converter 50 , rectifier 51 , coupling transformers 60 and capacitive DC voltage intermediate circuit is shown, the coupling transformers 60 being connected to one another in a delta connection. To achieve an operating point of the generator 1 , at which the terminal voltage U _s approximately corresponds to the pole wheel voltage U _p , to ensure successful commutation, ie without commutation interruptions, with the exclusive use of a diode bridge as rectifier 51 , the respective diode voltages U _DB1 , U _DB2 and U _DB3, the voltages U _B1 , U _B2 and U _{B3 of} the controlled converter 50 are impressed via the coupling transformers 60 and the stator voltage U _{s is} formed as a result. Knowing the synchronous reactance X _d, the stator or generator current I _s then results from the stator voltage U _s and the magnet wheel voltage U _p . Here too, an additional 3-phase LC filter 160 is electrically connected in parallel to the generator 1 and diode rectifier 51 for the provision of reactive power.

Alle Ausführungsformen, die bei ausschließlicher Verwendung eines strom- oder ersatzweise spannungseinprägenden gesteuerten Stromrichters 50 möglich sind und im Rahmen der Beschreibung der Fig. 10 bis 17 bereits dargelegt wurden sind hier auch in Kombination sowohl spannungs- als auch stromeinprägender gesteuerter Stromrichter 50 realisier- bzw. durchführbar. Bezugszeichenliste U, I Effektivwerte von Spannung und Strom
û, î Amplituden von Spannung und Strom
U, I Raumzeiger der Grundwelle für Spannung und Strom
θ Polradwinkel, Grundwelle
φ_s Phasenwinkel, Grundwelle
φ_DB Phasenwinkel Diodenbrücke, Grundwelle
I_B Eingeprägter Strom des gesteuerten Gleichrichters
I_DB Diodenbrücken-Strom
GFT Grundfrequenztaktung
I_S Ständerstrom
L_K Kommutierungsinduktivität
U_B Eingeprägte Spannung des gesteuerten Gleichrichters
U_DB Diodenbrückenspannung
U_DC Gleichspannung
U_di ideelle Gleichspannung
U_p Polradspannung
U_s Ständerspannung (phase)
X_B Drosselreaktanz
X_d Längsreaktanz
X_q Querreaktanz
X" sub-transiente Reaktanz
X_s Ständerreaktanz
1 Generator
50 Gesteuerter Stromrichter
51 Gleichrichter, Diodengleichrichter oder gest. Gleichrichter in Grundfrequenztaktung
60 Koppeltransformator
101 Transformator zur Spannungsanhebung
160 LC-Filter
All of the embodiments which are possible with the exclusive use of a controlled converter 50 which impresses current or alternatively and which have already been explained in the description of FIGS. 10 to 17 can also be realized here in combination with both controlled and voltage-impressing controlled converters 50 . feasible. List of reference symbols U, I RMS values of voltage and current
û, î amplitudes of voltage and current
U , I space pointer of the fundamental wave for voltage and current
θ flywheel angle, fundamental wave
φ _s phase angle, fundamental wave
φ _DB phase angle diode bridge, fundamental wave
I _B Impressed current of the controlled rectifier
I _DB diode bridge current
GFT basic frequency clocking
I _S stator current
L _K commutation inductance
U _B Impressed voltage of the controlled rectifier
U _DB diode bridge voltage
U _DC direct voltage
U _di ideal DC voltage
U _p rotor voltage
U _s stator voltage (phase)
X _B reactor reactance
X _d longitudinal reactance
X _q cross-reactance
X "sub-transient reactance
X _s stator reactance
1 generator
50 Controlled converter
51 rectifier, diode rectifier or gest. Rectifier in fundamental frequency switching
60 coupling transformer
101 transformer for voltage boost
160 LC filters

Claims

1. A method for improving the degree of utilization and the reliability of a power plant, in particular a wind power plant, with a turbine with a coupled synchronous generator ( 1 ) which is electrically connected on the AC voltage side to at least one rectifier ( 51 ) with a DC link, characterized in that at least as a rectifier ( 51 ) a diode rectifier or at least one controlled rectifier in basic frequency switching is used to transform the electrical active power converted by the generator ( 1 ) and the generator current is adjusted or regulated with respect to the phase angle and current harmonics by at least one controlled converter ( 50 ), as a result of which large reactive currents and oversizing Avoided by generator ( 1 ) and rectifier ( 51 ) and the efficiency and reliability of the entire system can be improved.

2. The method according to claim 1, characterized in that to achieve an operating point of the synchronous generator ( 1 ) at which the terminal voltage U _s approximately corresponds to the pole wheel voltage U _p when using a diode bridge as a rectifier ( 51 ) to ensure successful commutation of the diode current I. _DB , the current I _{B is} impressed by means of at least one controlled, current-impressing converter ( 50 ) and the resulting generator current I _s is thus formed.

3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that to achieve an operating point of the synchronous generator ( 1 ), in which the terminal voltage U _s approximately corresponds to the pole wheel voltage U _p when using a diode bridge as a rectifier ( 51 ) to ensure successful Commutation of the diode voltage U _DB by means of at least one controlled, voltage-impressing converter ( 50 ) impresses the voltage U _B , the terminal or generator voltage U _S and, as a result, the generator current I _{S is} formed.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the case of a controlled, current-impressing converter ( 50 ) in the case of an inductive DC voltage side by the controlled converter ( 50 ) with respect to the diode bridge ( 51 ), a reduction in the generator-side commutation inductances is achieved and the required Current I _{B is} reduced to ensure successful commutation.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the reactive and active power provision for at least one controlled converter ( 50 ) on the DC voltage side takes place directly through the DC voltage intermediate circuit.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the voltage or current injection is carried out by means of a single controlled, multi-phase converter ( 50 ).

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that both a voltage and a current injection takes place simultaneously by means of a controlled, multi-phase converter ( 50 ).

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that separate single-phase, controlled converters ( 50 ) are used for voltage and / or current injection for each phase.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a controlled, multi-phase converter ( 50 ) is used for voltage and / or current injection.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that both a controlled, single-phase converter ( 50 ) for voltage and a controlled, single-phase converter ( 50 ) is used for current injection for each phase present.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the voltage injection is carried out with the aid of a number of coupling transformers ( 60 ) corresponding to the number of phases.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the provision of reactive power is carried out proportionately by means of an AC voltage side electrically connected to the rectifier ( 51 ) parallel-phase multi-phase LC filter.

13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that with DC-side electrical connection of at least one controlled converter ( 50 ) to the DC voltage intermediate circuit by means of at least one transformer ( 101 ) a voltage increase in the AC-side output voltage of the controlled converter ( 50 ) is carried out.

14. Device for improving the degree of utilization and the reliability of a power plant, in particular a wind power plant, with a turbine with a coupled synchronous generator ( 1 ) which is electrically connected on the AC voltage side to at least one rectifier ( 51 ) with a DC link, characterized in that at least one rectifier ( 51 ) there is a diode rectifier or a controlled rectifier in basic frequency clocking for converting the electrical active power converted by the generator ( 1 ), and at least one controlled converter ( 50 ) for setting or regulating the generator current with respect to phase angle and current harmonic is present, as a result of which large reactive currents and oversizing Avoided by generator ( 1 ) and rectifier ( 51 ) and the efficiency and reliability of the entire system can be improved.

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that at least one controlled converter ( 50 ) is electrically impressed in parallel between the generator ( 1 ) and diode rectifier ( 51 ).

16. The device according to one of claims 14 or 15, characterized in that at least one controlled converter ( 50 ) is voltage-impressively electrically connected between the generator ( 1 ) and diode rectifier ( 51 ) in series.

17. Device according to one of claims 14 to 16, characterized in that at least one controlled converter ( 50 ) on the DC voltage side for reactive and active power supply is electrically connected to the DC voltage intermediate circuit.

18. Device according to one of claims 14 to 17, characterized in that a single controlled, multi-phase converter ( 50 ) is used for voltage or current injection.

19. Device according to one of claims 14 to 18, characterized in that at the same time both a multiphase controlled converter ( 50 ) for voltage and multiphase controlled converters ( 50 ) are used for current injection.

20. Device according to one of claims 14 to 19, characterized in that a controlled single-phase converter ( 50 ) are used for voltage or current injection for each phase present.

21. Device according to one of claims 14 to 20, characterized in that both a controlled, single-phase converter ( 50 ) for voltage and a controlled, single-phase converter ( 50 ) are used for current injection for each phase present.

22. Device according to one of claims 14 to 21, characterized in that a number of coupling transformers ( 60 ) corresponding to the number of phases are present in a controlled, single-phase or multi-phase voltage impressing converter ( 50 ) for voltage impressing.

23. Device according to one of claims 14 to 22, characterized in that in a controlled, three-phase voltage-impressing converter ( 50 ), the existing coupling transformers ( 60 ) are connected in a star or delta connection.

24. Device according to one of claims 14 to 23, characterized in that at least one multi-phase LC filter is implemented, which is connected on the AC voltage side electrically in parallel to the rectifier ( 51 ).

25. The device according to any one of claims 14 to 24, characterized in that at least one transformer ( 101 ) for voltage boosting is present in the case of an electrical connection of at least one controlled converter ( 50 ) to the DC voltage intermediate circuit.