-
Die
Erfindung betrifft eine Überspannungsschutz-Vorrichtung
für einen
einen Gleichspannungszwischenkreis aufweisenden Wechselrichter,
der an einem drehzahlvariablen Windenergiekonverter zur Umwandlung
von Windenergie in elektrische Energie angeschlossen ist, wobei
der Windenergiekonverter einen permanentmagneterregten Generator
umfasst, der ausgangsseitig eine Wechselspannung erzeugt und diese
Spannung durch mindestens einen Gleichrichter in eine Gleichspannung
umgewandelt wird.
-
Windenergiekonverter
kleiner Leistung bzw. Windräder
zur Erzeugung elektrischer Energie weisen einen Permanentmagnet-Generator
(PM-Generator) auf.
Der PM-Generator liefert ausgangsseitig eine dreiphasige Wechselspannung,
die durch einen Gleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt wird.
Die Gleichspannung wird anschließend durch einen Wechselrichter
in eine Wechselspannung zur Einspeisung in ein Energienetz umgewandelt.
Da die Ausgangsspannung des PM-Generators und des nachgeschalteten
Gleichrichters proportional zur Drehzahl des PM-Generators ist,
kann die Spannung bei starker Wind so stark ansteigen, dass der
nachgeschaltete Wechselrichter für
die Netzeinspeisung oder andere nachgeschaltete Geräte geschädigt werden
könnte.
Auch ein plötzliches
Fehlen der elektrischen Belastung des Generators sorgt dafür, dass die
Spannung stark ansteigt. Dies ist der Fall, wenn das Netz wegfällt. Der
Windenergiekonverter wird entlastet und damit beschleunigt.
-
Zur
Lösung
dieses Problems sind Überspannungs-Schutzvorrichtungen
mit einer Chopper-Schaltung bzw. einer regelbaren Belastung im Gleichspannungszwischenkreis
bekannt. Das Windrad treibt einen PM-Generator an, der eine dreiphasige Wechselspannung
liefert. Dessen Ausgangsspannung wird durch einen Gleichrichter
gleichgerichtet. Der Chopperschaltkreis besteht aus einem Halbleiterschalter
bzw. einem Transistor, einem Widerstand und einer Diode. Der Widerstand
ist in Reihe mit dem Transistor geschaltet. Ist der Schalter geschlossen, dann
fließt
durch den Widerstand ein Strom, so dass eine elektrische Belastung
vorhanden ist, wobei die Zwischenkreisspannung begrenzt wird. Die
Diode ist parallel zum Widerstand geschaltet und dient als Freilaufdiode.
Durch entsprechende Taktung des Schalters kann die Zwischenkreisspannung
geregelt werden. Der Widerstand ist so ausgelegt, dass er die sehr
hohe Leistung aufnehmen kann. Dem Chopperschaltkreis muss außerdem ein Pufferkondensator zugeordnet
sein. Die Gleichspannung wird schließlich durch den Wechselrichter
in eine Wechselspannung zur Netzeinspeisung umgewandelt. Zwar kann durch
die regelbare Belastung die Zwischenkreisspannung stabil gehalten
werden, jedoch benötigt diese
Lösung
eine aufwändige
Steuerung mit einer Steuerelektronik. Zudem sind ein Belastungswiderstand
und eine Messwerterfassung notwendig.
-
Eine
andere bekannte Schaltung umfasst Schütze, die Widerstände am Ausgang
des PM-Generators zuschalten, wobei ein Windrad ebenfalls den Windgenerator
antreibt. Wird die Zwischenkreisspannung zu groß, werden über die Schütze die Widerstände auf
der AC-Seite zugeschaltet. Dadurch wird die AC-Spannung des Generators
begrenzt. Der Nachteil dieser Lösung
besteht darin, dass keine stufenlose Regelung möglich ist. Dies verursacht
zusätzliche
Energieeinbußen.
Zudem ist die Schaltung aufwändig,
da Schütze
mit einer entsprechenden Ansteuerung sowie Widerstände und
eine Messwerterfassung erforderlich sind.
-
Aus
der
DE 10 2004
017 284 A1 ist eine Schaltung der Mikroprozessortechnik
bekannt mit einer Reihenschaltung von Dioden sowie einem Halbleiterschalter,
z. B. in Form eines DRAMS, wobei bei einem Funktionstest der interne
Spannungspegel veränderbar
ist.
-
Aus
der
DE 10 2005
954 145 A1 ist eine Gleichrichter-Brückenschaltung mit einem Load-Dump-Schutz
und mehreren Zenerdioden für einen
KFZ-Generator bekannt.
Die Dioden besitzen hierbei Kühlkörper, weshalb
die Dioden hier als Dauerschutz eingesetzt werden.
-
Aus
der
DE 103 27 344
A1 ist eine Übergangsschutzvorrichtung
der eingangs genannten Art bekannt. Hierbei soll durch Auslegungsparameter festgelegt
werden, dass z. B. bei sehr turbulenten Windverhältnissen die Nenndrehzahl der
Anlage herabgesetzt wird, um diese vor Schäden zu bewahren. Der Schutz
des Wechselrichters vor Überspannung ist
nicht Gegenstand dieser Literaturstelle.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutz-Vorrichtung der gattungsgemäßen Art
zu schaffen, mit der in einfacher Weise die Zwischenkreisspannung
stabil gehalten werden kann, um eine Beschädigung des an den Generator
angeschlossenen Wechselrichters zu vermeiden.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Anzahl n im Gleichspannungszwischenkreis parallel zum Wechselrichter
in Reihe geschalteter Dioden (D1, ..., Dn), so dass kurz unterhalb einer maximalen
zulässigen
Zwischenkreisspannung die Dioden zu leiten beginnen und einen Überspannungsschutz
durch elektrische Belastung bilden, wobei sich die Anzahl n sich
aus der Spannung ergibt, die sich aus einer maximalen Spannung des
Gleichspannungszwischenkreises ergibt, wobei die Dioden (D1, ..., Dn) mit mindestens
einem Kühlkörper versehen
sind, und der Windenergiekonverter eine mechanische Sturmsicherung
aufweist, so dass seine Windflügel
bei Sturmböen
oder starkem Wind eine Helikopterposition einnehmen und der Überspannungsschutz
die Leistung aufnimmt, bis die Sturmsicherung wirksam wird.
-
Die
erfindungsgemäße Spannungsbegrenzung
durch die Dioden ermöglicht
in einfacher Weise praktisch eine stufenlose Regelung. Die Schaltung passt
sich stufenlos an die erforderlichen Verhältnisse an. Dadurch wird nur
soviel überschüssige Energie
in Wärme
umgewandelt, wie sie zur Vermeidung einer Beschädigung des Wechselrichter erforderlich ist.
-
Wenn
der Windenergiekonverter demzufolge läuft und eine Sturmböe aufkommt,
kann der Überspannungsschutz
die Leistung aufnehmen, die deutlich über der Nennleistung liegt,
bis die Sturmsicherung wirksam wird.
-
Der
eingesetzte Überspannungsschutz
ist hierbei optimal, da die abzuführende Leistungsspitze nur
relativ kurz ist.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung sind in
den Unteransprüchen
beschrieben.
-
Besonders
günstig
ist es dabei, dass keine aufwändige
Steuerelektronik benötigt
wird. Zudem erfordert die erfindungsgemäße Lösung keine Belastungswiderstände und
keine Messwerterfassung. Es ist nur eine einzige Baugruppe erforderlich.
-
Da
nur Dioden als Bauteile erforderlich sind, ist die Vorrichtung gegenüber den
aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sehr robust und preiswert.
-
Gemäß der Erfindung
beginnen die Dioden erst zu leiten, wenn die Spannung am Wechselrichter kurz
vor einem kritischen Wert steht. Steigt die Spannung des Generators
weiter an, dann fließt
ein Strom durch die Dioden, so dass durch die elektrische Belastung
der Dioden die Spannung am Wechselrichter begrenzt wird. Die überschüssige elektrische
Energie wird in den Dioden in Wärme
umgewandelt.
-
Vorteilhaft
ist weiterhin vorgesehen, dass die Dioden als Z-Dioden (Zener-Dioden) ausgeführt sind. Dadurch
kann jede Diode für
eine höhere
Spannung ausgelegt werden, wobei eine relativ geringe Anzahl n von
Dioden erforderlich und eine präzise
Spannungsbegrenzung möglich
ist.
-
Um
eine möglichst
hohe elektrische Leistung ohne Zerstörung der Dioden abführen zu
können, sind
zweckmäßigerweise
die Dioden mit mindestens einem Kühlkörper versehen. Eine besonders
gute Wärmeabfuhr
ist gewährleistet,
wenn die Dioden zwischen zwei Kühlkörpern, insbesondere
zwei Kühlblechen,
montiert sind.
-
Wenn
der Wechselrichter mit einem Wechselstromnetz, insbesondere einem
Energieversorgungsnetz oder einem Inselnetz, verbunden ist, dann kann
bei Ausfall des Netzes bzw. einer Trennung von diesem die dadurch
hervorgerufene Spannungserhöhung
und die durch die Beschleunigung des Windrades auftretende Spannungserhöhung durch
die Diodenschaltung kompensiert werden.
-
Wenn
die Dioden im Gleichspannungszwischenkreis parallel zum Wechselrichter
geschaltet sind, hat dies den Vorteil, dass nur halb so viele Dioden
erforderlich sind, als wären
sie auf der AC-Seite angeordnet, da eine Gleichspannung vorhanden
ist.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
wird anhand der Zeichnungen nachstehend beispielhaft näher erläutert.
-
1 zeigt
eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Dioden,
und
-
2 zeigt eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Dioden mit zwei Kühlkörpern.
-
1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Überspannungs-Schutzvorrichtung
UBS für
einen Gleichspannungszwischenkreis aufweisenden DC/AC-Wechselrichter 1.
Dieser ist an einem drehzahlvariablen Windenergiekonverter 2 zur
Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie angeschlossen.
Der Windenergiekonverter 2 umfasst einen permanentmagneterregten
Generator 3, der von einem Windrad 4 angetrieben
wird. Der Wechselrichter 1 ist mit einem Wechselstromnetz
N, insbesondere einem Energieversorgungsnetz oder einem Inselnetz,
verbunden.
-
Der
Generator 3 erzeugt ausgangsseitig eine Wechselspannung,
insbesondere eine dreiphasige Wechselspannung. Diese wird durch
einen Gleichrichter 5 bzw. durch eine Gleichrichterbrückenschaltung
in eine Gleichspannung UDC umgewandelt.
-
Erfindungsgemäß ist eine
Anzahl n in Reihe geschaltete Dioden D1 bis
Dn vorhanden, um die Wechselrichter-Eingangsspannung
des Wechselrichters 1 zu begrenzen. Die Dioden sind so
ausgelegt, dass kurz unterhalb einer maximal zulässigen Zwischenkreisspannung
die Dioden zu leiten beginnen und eine elektrische Belastung bilden.
Die Eigenschaften der Dioden D1 bis Dn stellen also sicher, dass der Überspannungsschutz
bei Spannungen kurz unterhalb der maximalen Zwischenkreisspannung
anfängt
zu leiten.
-
Bei
größeren Spannungen
nimmt der Strom überproportional
zu, so dass sich eine stabile Leistungsaufteilung zwischen Überspannungsschutz
und Wechselrichter 1 ergibt. Bei böigem Wetter können durch
die Schutzeinrichtung hohe Leistungsspitzen aufgefangen werden.
-
Die
Anzahl n an Dioden bestimmt sich aus der Spannung, die sich aus
einer maximalen Spannung des Gleichspannungszwischenkreises ergibt. Beträgt die maximale
Zwischenkreisspannung zum Beispiel maximal 60 Volt, so sind 66 Dioden
mit jeweils 0,7 Volt erforderlich, so dass bei 45 V noch kein Strom
und bei 60 V ein sehr hoher Strom durch die Diode fließt.
-
Die
Dioden D1 bis Dn sind
vorzugsweise als Netz-Dioden ausgeführt und, wie in 2 veranschaulicht ist, mit mindestens
einem Kühlkörper 6 bzw. 7 versehen.
Insbesondere sind die Dioden D1 bis Dn zwischen zwei Kühlkörpern 6, 7 sandwichartig montiert.
Die Kühlkörper können Kühlbleche
sein. Die Kühlkörper haben
insbesondere Kühlrippen,
um eine hohe Wärmeabfuhr
zu erreichen. Alternativ können
die Dioden auch Z-Dioden
sein.
-
Der
Windenergiekonverter umfasst eine mechanische Sturmsicherung, so
dass bei starkem Wind seine Windflügel z. B. eine Helikopterposition einnehmen.
-
In 1 ist
eine Variante abgebildet, bei der die Dioden D1 bis
Dn im Gleichspannungszwischenkreis parallel
zum Wechselrichter geschaltet sind. Alternativ können die Dioden direkt am Generator 3 geschaltet
sein. In diesem Fall ist jede Diode mit einer Reihe von antiparallel
geschalteten Dioden zu versehen, wobei die Dioden die positiven
und negativen Halbwellen des Generators 2 begrenzen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- DC/AC
WECHSELRICHTER
- 2
- Windenergiekonverter
- 3
- Generator
- 4
- Windrad
- 5
- Gleichrichter
- 6
- Erster
Kühlkörper
- 7
- Zweiter
Kühlkörper
- N
- Wechselstromnetz
- D1, ..., Dn
- Dioden
