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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines doppelt gespeisten
Asynchrongenerators und einen für diesen Zweck geeigneten
Asynchrongenerator nach den Oberbegriffen der Ansprüche
1 und 7, insbesondere zur mechanisch-elektrischen Energiewandlung
in Windkraftanlagen.
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Ein
sicherer Betrieb von Energieversorgungsnetzen setzt außer
der Verfügbarkeit der verwendeten Einspeisesysteme auch
besondere Schutzmaßnahmen für die im Netz verwendeten, elektrischen
Geräte und Vorrichtungen gegenüber Kurzschlüssen
voraus. Hierzu sind in der Regel Schutzeinrichtungen in Form von
Sicherungen, Schaltern od. dgl. vorgesehen, die im Falle eines Kurzschlusses
durch kurzzeitig fließende Kurzschlußströme
ausgelöst werden und dadurch die mit ihnen verbundenen
Geräte und Vorrichtungen vom Netz abkoppeln. "Kurzzeitig"
bedeutet, daß der Kurzschlußstrom zumindest über
einen Zeitraum von z. B. 20 ms bis 200 ms vorhanden sein und z.
B. den 5- bzw. 15-fachen Betrag des Nennstroms erreichen muß.
Werden vorhandene Schutzeinrichtungen nicht ausgelöst,
weil ein etwa auftretender Kurzschlußstrom zu kurz oder
nicht in ausreichender Höhe auftritt, kann dies mit schwerwiegenden
Folgen, insbesondere mit einer Zerstörung der zu schützenden Geräte
und Vorrichtungen verbunden sein.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, daß Kurzschlüsse
durch das Auftreten von hier als "inhärent" bezeichneten
Kurzschlußströmen auch Leitungen und sensible
Bauelemente in den Einspeisessystemen selbst zerstören
können, wie weiter unten näher erläutert
ist.
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Im
Gegensatz zu anderen Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie
wie z. B. Wasser-, Dampf- und Gasturbinen sind Windkraftanlagen
sowohl langfristigen, durch die Meteorologie gegebenen, stochastischen
Veränderungen als auch kurzfristigen, meist periodischen
Schwankungen im Drehmoment und in der Leistungsabgabe unterworfen.
Die mechanische Rotationsenergie der Turbine einer Windkraftanlage
(z. B. 20 UpM im Megawattbereich) wird daher entweder ohne Zwischenschaltung eines
Getriebes mit Generatoren großer Bauform oder unter Zwischenschaltung
geeigneter Getriebe (z. B. ca. 1000 UpM) mit handelsüblichen
elektrischen Maschinen in elektrische Energie umgewandelt und direkt
oder über elektronische Umformer in ein elektrisches Energieversorgungsnetz
eingespeist.
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Eine Übersicht über übliche,
für Windkraftanlagen mehr oder weniger gut geeignete Energiewandlersysteme
ist im Buch
"Windkraftanlagen" (PD Dr.-Ing. habil. Siegfried
Heier, 4. Auflage, B. G. Teubner-Verlag, Stuttgart) gegeben.
Danach sind z. B. direkt mit dem Netz gekoppelte Synchrongeneratoren bekannt
(
S. Heier Seite 119, Bild g). Diese für
Kraftwerke übliche Betriebform konnte sich wegen der starken
Turbinenschwankungen, des drehzahl-starren Verhaltens, der Schwingungsanfälligkeit
und der daraus resultierenden hohen Belastungen des Triebstrangs
in Windkraftanlagen bisher nicht durchsetzen und wurde nur für
Pilotprojekte eingesetzt.
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Windkraftanlagen
mit Leistungen bis ca. 1 MW werden bisher überwiegend mit
Kurzschlußläufer aufweisenden Asynchrongeneratoren
betrieben, die direkt an das Netz gekoppelt sind (S. Heier
aao Seite 119, Bild a) und in diesem Energiebereich wegen
ihrer Drehzahl-Nachgiebigkeit schwingungsdämpfend wirken.
Für Windkraftanlagen mit größeren Leistungen
ab ca. 1,5 MW sind derartige Asynchrongeneratoren wegen des kleinen
Schlupfs weniger gut geeignet. Für diesen Leistungebereich kommen
insbesondere Synchron- und Asynchrongeneratoren in Frage, die zur
Entkopplung der Generatorfrequenz von der Netzfrequenz in Verbindung
mit Umrichtern betrieben werden. Derartige Umrichter sind mit Gleichrichtern,
Gleichstrom-Zwischenkreisen und Wechselrichtern versehen und dadurch
in der Lage, Drehstrom variabler Frequenz und Spannung zu liefern
und an die Erfordernisse des Netzes anzupassen, um elektrische Energie
mit nahezu konstanter Frequenz und Spannung in das Netz einzuspeisen. Außerdem
ist es möglich, die von der Windkraftanlage erzeugte Energie
ganz (S. Heier aao Seite 119, Bilder b, i, j, h)
oder nur teilweise (S. Heier aao Seite 119, Bilder e, f) über
den Umrichter zu führen.
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Aufgrund
neuer gesetzlicher Vorschriften ergeben sich bei Anwendung der beschriebenen Wandlersysteme
unerwünschte Schwierigkeiten im Hinblick auf das oben erläuterte
Erfordernis einer kurzfristigen Lieferung von Kurzschlußstrom.
Generatoren sind aufgrund ihrer großen Eisen- und Kupfermassen,
die im Megawattbereich einige Tonnen betragen, zwar ohne weiteres
in der Lage, über die genannten Zeiträume von
z. B. 100 ms bis 200 ms hinweg einen hohen Kurzschlußstrom
zu führen. Handelt es sich jedoch um Generatoren mit Umrichtern,
dann konzentriert sich bei den Umrichtern die Energiewandlung bei
gleicher Leistung auf sehr kleine, die Umrichter bildenden Halbleiterplatten,
die insgesamt nur einige Gramm wiegen. Sie würden bei der
Führung von inhärenten Kurzschlußströmen
aufgrund starker Erhitzung in den genannten Zeiträumen
zerstört. Daher ergibt sich hier ein Zwiespalt zwischen
dem an sich erwünschten Kurzschlußstrom und dem
Schutz der Umrichter und anderer Teile der Steuer- und Regeleinrichtungen
einer Windkraftanlage vor diesem Kurzschlußstrom.
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Daraus
resultieren folgende Einschränkungen hinsichtlich der Anwendung
der verschiedenen Wandlersysteme:
Werden Synchrongeneratoren
angewendet, die direkt an das Netz gekoppelt sind (S. Heier
aao Seite 119, Bild g), dann ergeben sich hinsichtlich
der Lieferung von Kurzschlußströmen keine Schwierigkeiten, d.
h. es können aufgrund der Generator bauweise ohne weiteres
Kurzschlußströme durch den direkt mit dem Netz
verbundenen Stator fließen, so daß im Netz vorhandene
Schutzeinrichtungen sicher ausgelöst werden. Da derartige,
wegen ihrer sonstigen Eigenschaften an sich idealen und prinzipiell
auch für Windkraftanlagen geeigneten Wandlersysteme jedoch,
wie oben bereits erwähnt wurde, über mehrstufige
Getriebeübersetzungen oder bei direkter mechanischer Kopplung
mit vielpoligen Generatoren betrieben werden müssen, sind
sie anfällig gegenüber Schwingungen und werden
daher in Windkraftanlagen nicht eingesetzt.
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Synchron-
und Asynchrongeneratoren mit Umrichtern, über welche der
gesamte Strom bzw. die volle elektrische Energie dem Netz zugeführt
wird, sind nicht dazu geeignet, Kurzschlußströmen
zu führen, da diese die empflindlichen Teile der Wandlersysteme
sofort zerstören würden. Es ist daher bekannt,
derartige Wandlersysteme mit Mitteln zu versehen, die den Strom
beim Anwachsen auf kritische Werte von z. B. 10% bis 20% über
dem Nennstrom begrenzen. Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß die Umrichter
vor Überlastungen geschützt werden. Allerdings
ergibt sich auch der Nachteil, daß kein Kurzschlußstrom
für eine ausreichende Zeitlang in das Netz geliefert werden
kann, da die den Strom begrenzenden Mittel, damit sie wirksam sind,
eine Strombegrenzung im Mikrosekundenbereich vornehmen müssen.
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Schließlich
können Wandlersysteme mit doppelt gespeisten, Schleifring-Rotoren
statt Kurzschlußläufer aufweisenden Asynchrongeneratoren (S.
Heer aao Seite 119, Bilder e, f) im Hinblick auf die Lieferung
von Kurzschlußströmen als eine vorteilhafte Kombination
der oben beschriebenen Wandlersysteme betrachtet und mit Vorteil
auch in Windkraftanlagen mit hoher Leistung oberhalb von 1 MW eingesetzt
werden. Da der Stator des Generators direkt mit dem Netz verbunden
ist, kann er im Prinzip ohne weiteres zur Lieferung von Kurzschlußströmen
herangezogen werden. Ein Problem stellt jedoch auch hier der Umstand
dar, daß der Läufer über Umrichter am Netz
liegt, die nicht in der Lage sind, Kurzschlußströme
zu führen, und daher vor diesen geschützt werden
müssen. Zum Schutz derartiger Asynchrongeneratoren ist
es bekannt, diese mit einer Schaltreinrichtung zu versehen, die
ein zur Erkennung von Kurzschlußströmen eingerichtetes
Mittel aufweist und so ausgebildet ist, dass sie bei Erkennung eines
Kurzschlußstromes einerseits einen maschinenseitigen Umrichter
vom Läufer trennt, andererseits den Läufer mit
einem Zusatzwiderstand verbindet. Dadurch wird der Läuferstrom
begrenzt und abgebaut und der Statorstrom zum Abklingen gebracht.
Der Generator ist dann nicht mehr regelbar. Dadurch wird zwar der
gesamte Umrichter vor Kurzschlußstrom geschützt.
Da der Schaltvorgang aber auch hier so frühzeitig bzw. so
schnell durchgeführt wird, dass kein ausreichend langer
Kurzschlußstrom mehr geliefert werden kann, können
etwaige Schutzeinrichtungen im Netz nicht sicher ausgelöst
werden.
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Dadurch,
daß bei Anwendung der beschriebenen Systeme kein Kurzschlußstrom
in das Netz geliefert wird, besteht nicht nur die Gefahr, daß dort vorhandene
Schutzeinrichtungen nicht ausgelöst werden. Würde
nämlich auch weiterhin ein zwar reduzierter, aber z. B.
10% oder 20% über dem Nennstrom liegender Strom in das
Netz geliefert, wie dies für einige der oben beschriebenen
Systeme gilt, dann kann Fall eintreten, daß eine eigentlich
zu schützende Vorrichtung, die zu Beginn des Kurzschlusses zwar
beschädigt, aber nicht zerstört wurde, aufgrund des
weiterhin fließenden Stroms aber beschädigt wird.
Das kann zu schwerwiegenden Folgen wie z. B. Kabelbränden
führen und widerspricht den gestellten Sicherheitsanforderungen.
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Angesichts
des oben erläuterten Standes der Technik besteht daher
ein Bedarf an Wandlersystemen, die im Falle eines Kurzschlusses
einerseits einen ausreichend hohen und zeitlich ausreichend langen
Kurzschlußstrom in das Netz abgeben, andererseits aber
dennoch die eigenen Bauelemente vor inhärenten Kurzschlußströmen
schützen.
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Da
mit Synchrongeneratoren betriebene Wandlersysteme den Nachteil haben,
daß sie nicht in der Lage sind, Kurzschlussströme
zu führen, sieht die vorliegende Erfindung vor, einen mit
Umrichtern arbeitenden, doppelt gespeisten Asynchrongenerator für
die genannten Zwecke geeignet zu machen.
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Ausgehend
von dem eingangs genannten Verfahren und dem doppelt gespeisten
Asyn chrongenerator liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde,
beide derart zu gestalten, daß der Asynchrongenerator den
gewünschten Kurzschlußstrom liefern. kann, ohne
dass die Gefahr besteht, dass zu seinem Betrieb benötigte
Bauelemente durch das Auftreten von inhärenten Kurzschlußströmen
zerstört werden.
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Gelöst
wird dieses Problem erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 7.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß doppelt gespeiste
Asynchrongeneratoren statorseitig direkt mit dem Netz gekoppelt
und daher prinzipiell in der Lage sind, Kurzschlußleistung
bereit zu stellen. Dazu muß aber das magnetische Feld des Rotors
in seiner momentanen Größe und Winkellage zum
Statorfeld, d. h. feldorientiert und unter Berücksichtigung
der Formel ω2/p2 = ω1/p1 – ωmechaufrecht
erhalten werden, worin ω1 die Winkelgeschwindigkeit des
Statordrehfeldes, ω2 die elektrische Winkelgeschwindigkeit
des Rotorfeldes, ωmech die mechanische Winkelgeschwindigkeit
des Rotors, p1 die Stator-Poolpaarzahl und p2 die Rotor-Polpaarzahl
sind. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,
daß die Generatorerregung aufrecht erhalten wird und sich
daher transiente Stator-Kurzschlußströme aufbauen
können.
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Die
Erfindung bringt dadurch mit anderen Worten den Vorteil mit sich,
daß der magnetische Fluß im Läufer des
Generators beim Auftreten eines Kurzschlusses nicht wie bisher durch
Abschalten eines Umrichters völlig unterbrochen, sondern
durch einen gezielten Regeleingriff mit dem beim Auftreten des Kurzschlusses
der aktuell vorhandene Betriebswert eingefroren, d. h. beibehalten
wird. Der Regeleingriff kann wie bei den bekannten Schalteinrichtungen
sehr schnell erfolgen, so daß empfindliche Teile des Synchrongenerators
geschützt werden, während gleichzeitig analog
zu einem direkt an das Netz gekoppelten Synchrongenerator ein durch
die Generatorkonstruktion vorgegebener Kurzschlußstrom
in der Statorwicklung ausgebildet und in das Netz eingespeist werden
kann. Mit besonderem Vorteil ist es außerdem möglich,
die inhärenten Kurzschlußströme durch
die Einführung von Korrekturwerten zu erhöhen
bzw. abzusenken, und sie dadurch z. B. an spezifische Anforderungen
des Netzes anzupassen. Der erfindungsgemäße Asynchrongenerator
kann daher vor allem auch nutzbringend in Windkraftanlagen und hier
insbesondere im Offshore-Bereich angewendet werden.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
bekannten jedoch erfindungsgemäß modifizierten,
doppelt gespeisten Asynchrongenerator zur Einspeisung elektrischer,
z. B. von einer Windkraftanlage erzeugter Energie in ein dreiphasig ausgebildetes
Energieversorgungsnetz;
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2 und 3 in
schematischen Teilansichten der 1 jeweils
Mittel zur Modifizierung von Ist- und Sollwerten im Falle eines
Kurzschlusses mit vom Gesamtstrom des Generators abgeleiteten Korrekturwerten;
und
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4 und 5 in
schematischen Teilansichten der 1 jeweils
Mittel zur Modifizierung von Ist- und Sollwerten im Falle eines
Kurzschlusses mit von der Generatorleistung abgeleiteten Korrekturwerten.
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1 zeigt
schematisch ein in der Drehzahl variables Wandlersystem in Form
eines doppelt gespeisten Asynchrongenerators, zu dem hier der Einfachheit
halber auch alle Bauelemente und Einrichtungen gezählt
werden, die zum Betrieb des eigentlichen, mit dem Bezugszeichen 1 versehenen
Generators erforderlich sind. Demzufolge enthält der Asynchrongenerator
einen Stator 1a, der über eine Leitung 2 direkt
an ein als dreiphasig vorausgesetztes Energieversorgungsnetz 3 angeschlossen
werden kann, und einen Rotor 1b, der über eine
Leitung 4 mit einem maschinen- bzw. rotorseitigen Umrichter 5 verbunden
ist. Der Umrichter 5 ist mit einem weiteren, netzseitigen
Umrichter 6 verbunden, der über einen Transformator 7 und
eine Leitung 8 an einem Verbindungspunkt 9 mit
der Leitung 2 ebenfalls an das Netz 3 angeschlossen
ist.
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Der
Rotor 1b des Generators 1 ist über eine Welle 10 mit
dem Ausgang eines Antriebs fest verbunden, der im Ausführungsbeispiel
ein Getriebe 11 und eine Turbine 12 enthält,
deren Abtriebswelle mit dem Eingang des Getriebes 11 verbunden
ist. Die Turbine 12 ist beispielsweise ein Bestandteil
einer üblichen Windkraftanlage. Die Übersetzung
des Getriebes 11 ist so gewählt, daß sich
der Rotor 1b, wenn die Turbine 12 z. B. mit einer
Drehzahl von 10 UpM arbeitet, mit einer Drehzahl von z. B. 1200
UpM dreht, was einer Frequenz von 40 Hz entspricht. Im übrigen
ist klar, daß anstelle der Teile 11 und 12 auch andere
Antriebe mit dem Rotor 1b verbunden sein könnten.
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1 zeigt
ferner schematisch bekannte, zur Regelung des doppelt gespeisten
Asynchrongenerators verwendete Einrichtungen. Diese beinhalten,
was nicht näher dargestellt ist, eine Einrichtung zur Transformation
der Wirk- und Blindanteile der Gesamtleistung in ein rotierendes
2-Achsen-Koordinatensystem mit d als Längs- und q als Querkomponente,
um eine weitgehende Entkoppelung der Wirkleistung und der ihr weitgehend
entsprechenden Größe des Maschinendrehmoments
auf der einen Seite und der Blindleistung auf der anderen Seite
zu erzielen und und beide Größen ohne gegenseitigen
Einfluß getrennt regeln zu können. Außerdem
wird, um die Vorteile der Variabilität in der Drehzahl
nutzen zu können, die Gesamtleistung PG durch die Regelung beeinflußt,
indem die Turbinendrehzahl anhand der zugehörigen Leistungs/-Drehzahl-Kennlinien
vorgegeben wird. Dazu wird die Drehzahl über das Drehmoment
beeinflußt, das mit Hilfe des maschinenseitigen Umrichters 5 über
die Querkomponente iRMq des Rotorstroms iRM feldorientiert eingestellt
wird. Analog dazu kann die Blindleistung z. B. fest vorgegeben oder über
die Längskomponente iRMd des Rotorstroms iRM ebenfalls über
den Umrichter 5 gesteuert werden.
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Nach
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
für den genannten Zweck an einer in Richtung des Netzes 3 hinter
dem Verbindungspunkt 9 liegenden Stelle der Istwert des
aus den drei Phasen erhaltenen, dem Netz 3 zugeführten
Gesamtstroms iG ermittelt. Dieser Strom iG wird einer Einrichtung 14 zugeführt,
in der eine Koordinaten-Transformation aus dem ruhenden 3-Achsen-Koordinatensystem
in das drehende 2-Achsen-Koordinatensystem (Park-Transformation)
durchgeführt und aus dem Gesamtstrom iG eine Längsstromkomponente
und eine Querstromkomponente ermittelt wird. In entsprechender Weise
wird aus einer in Richtung des Netzes 3 vor dem Verbindungspunkt 9 liegende
Stelle die Statorspannung US gemessen und in der Einrichtung 14 in
je eine Längs- und Querkomponente umgewandelt. Aus den
so erhaltenen Strom- und Spannungskomponenten oder auch auf irgendeine
andere zweckmäßige Weise werden die vom Asynchrongenerator
abgegebenen Wirk- und Blindleistungen Pist und Qist errechnet und
an Ausgängen 14a und 14b der Einrichtung 14 bereit
gestellt.
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Der
Wert Pist wird einem Baustein 15 zugeführt, in
dem anhand einer Tabelle od. dgl. die zu dem Asynchrongenerator
gehörende P/n-Kennlinien gespeichert sind, die die Abhängigkeit
der abgegebenen Wirkleistung P von der Drehzahl n anzeigen, mit welcher
die Welle 10 und damit der Läufer 1b angetrieben
werden. Eine Aufgabe dieses Bausteins 15 besteht insbesondere
in einer kontinuierlichen Anpassung der aktuellen Rotordrehzahl
des Generators 1 an die jeweiligen Windverhältnisse.
Windkraftanlagen sind normalerweise für eine bestimmte Nenn-Windgeschwindigkeit
und eine dieser zugeordnete Nenn-Drehzahl ausgelegt. Abweichungen
von der Nenn-Windgeschwindigkeit haben daher einen Leistungsabfall
zur Folge, selbst wenn die Nenn-Drehzahl beibehalten würde.
Allerdings ist bekannt, daß zu jeder Windgeschwindigkeit
eine P/n-Kennlinie gehört, die bei einer gegebenen Drehzahl
ein Leistungsmaximum hat (S. Heer aao S. 98,99 und Bild
2.64). Dies wird regelungstechnisch wie folgt berücksichtigt:
Durch
Vergleich der aktuellen Leistung Pist mit dem im Bauteil 15 abgelegten
Kennlinienfeld wird zunächst die jeweils optimale Drehzahl
nsoll ermittelt und an einem Ausgang des Bausteins 15 abgegeben.
Die Einstellung dieser Drehzahl nsoll erfolgt dann beim Asynchrongenerator
nach 1 mit Hilfe des rotorseitigen Umrichters 5.
Bekanntlich setzt sich das Beschleunigungsmoment des Generators 1 für die
zu bewegenden Massen (Turbine 12, Rotor 1b) aus
einem mechanischen, durch die Windgeschwindigkeit und die Einstellung
der Turbinenblätter erzeugten Antriebsmoment und einem
elektrischen, vom eigentlichen Generator 1 erzeugten Widerstands-(gegen-)moment
zusammen. Das Widerstandsmoment kann mit Hilfe des Umrichters 5 bzw. des
von diesem dem Rotor 1b zugefügten Stroms iRM
eingestellt werden, indem dieser nach Frequenz, Amplitude und Winkellage
relativ zum Statorfeld geregelt wird. Dadurch ist es möglich,
die mechanische Drehzahl nist des Rotors 1b so zu regeln,
daß sie im wesentlichen dem vorgegebenen Sollwert nsoll
entspricht.
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Im
Asynchrongenerator nach 1 wird zu diesem Zweck zunächst
in einem Vergleicher 16 die z. B. an der Welle 10 abgenommene
Ist-Drehzahl nist mit der vom Baustein 15 vorgegebenen
Soll-Drehzahl nsoll verglichen. Das Differenzsignal Δn
wird einer hier als Sollwertgeber 17 bezeichneten Einrichtung
einer komplexen Regelvorrichtung zugeführt, deren genauer
Aufbau für die Zwecke der Erfindung nicht relevant ist.
In dem Sollwertgeber 17 werden die Eingangswerte Δn
jeweils in Sollwerte iRMqsoll für die Querkomponente des
Rotorstroms iRM umgerechnet und jeweils an einem Ausgang 17a und 17b ausgegeben.
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Der
Istwert des Rotorstroms iRM wird an einem zwischen dem Rotor 1a und
dem maschinenseitigen Umrichter 5 gelegenen Verbindungspunkt 18 mit
Hilfe einer hier als Istwertgeber bezeichneten Einrichtung gemessen.
Diese bildet analog zur Einrichtung 14 durch Transformation
eine Querkomponente iRMqist und eine Längsstromkomponente
iRMdist, die beide an Ausgängen 19a und 19b abgegeben werden.
Diese Werte werden in Vergleichern 20 und 21 mit
vom Sollwertgeber 17 erzeugten Sollwerten iRMqsoll und
iRMdsoll für die Quer- und Längskomponente des
maschinenseitigen Rotorstroms iRM verglichen. Die Differenzen dieser
Ströme werden einem Regler 22 zugeführt.
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Während
die Sollwerte iRMqsoll im Sollwertgeber 17 aus der Drehzahldifferenz Δn
gebildet werden, werden die Werte iRMdsoll aus den von der Einrichtung 14 erzeugten
Ist-Blindleistungen QGist und zugehörigen Sollwerten QGsoll
berechnet, die in einem Vergleicher 23 verglichen und in
Form eines Differenzsignals ΔQ ebenfalls dem Sollwertgeber 17 zugeführt
werden. Die Differenzsignale ΔQ dienen in einer für
die Erfindung nicht wesentlichen Weise zur Regelung der vom Asynchrongenerator
benötigten bzw. bereit gestellten Blindleistung. Sie werden
im Sollwertgeber 17 in entsprechende Werte iRMdsoll umgewandelt
und an einem Ausgang 17b ausgegeben.
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Im
Regler 22 werden die von den Vergleichern 20 und 21 abgegebenen
Differenzwerte für iRMq und iRMd in das ruhende Koordinatensystem zurücktransformiert,
um drei zugehörige Phasenspannungen zu erhalten. Diese
werden schließlich in an sich bekannter Weise einem PWM-Baustein 24 (PWM
= Puls-Weiten-Modulation) zugeführt, dessen Ausgangssignale
dem maschinenseitigen Umrichter 5 zugeleitet werden, um
diesen entsprechend den Anforderungen zu regeln. Dadurch wird insbesondere
der maschinenseitige Rotorstrom iRM so eingestellt, daß sich
der Rotor 1b im wesentlichen mit der im Baustein 15 ermittelten
Drehzahl nsoll dreht.
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Regelungen
entsprechend 1 sind im Bereich von Windkraftanlagen
allgemein bekannt (S. Heer aao Seiten 324 bis 327 und Bild
5.20), so daß auf weitergehende Einzelheiten verzichtet
werden kann. Abgesehen davon ist es im Prinzip gleichgültig, wie
die Regelung der Rotordrehzahl und der Blindleistung tatsächlich
vorgenommen wird. 1 stellt jedoch ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel dar.
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Bekannte
Asynchrongeneratoren sind ferner mit Schalteinrichtungen versehen,
die z. B. zwischen dem Rotor 1b und dem Verbindungspunkt 18 eingebaut
werden und dazu dienen, den Rotor 1b beim Auftreten eines
Kurzschlusses vollkommen vom Umrichter 5 zu entkoppeln.
Demgegenüber sieht die Erfindung eine Schalteinrichtung 25 vor,
die dazu geeignet ist, beim Auftreten eines Kurzschlusses lediglich
den Sollwertgeber 17 vom übrigen Teil der Regelvorrichtung
zu trennen und stattdessen den aktuell vorhandenen, maschinenseitigen
Rotorstrom iRMist festzuhalten bzw. einzufrieren. Hierzu wird wie
folgt vorgegangen:
Die Ausgänge 19a, 19b des
Istwertgebers 19 sind mit einer Meßeinrichtung 26 verbunden,
mittels derer die Ausgangswerte an den Ausgängen 19a, 19b kontinuierlich überwacht
werden. Die Ermittlung eines Kurzschlusses kann beispielsweise über
die Messung des Gesamtstroms iG oder dadurch erfolgen, daß netzspezifisch
ausgeprägte Spannungsgradienten (z. B. dUS/dt) ermittelt
oder die Netzimpedanz impulsweise kontrolliert wird.
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An
die Messeinrichtung 26 ist eine Speichereinrichtung 27 angeschlossen,
die ihrerseits mit einer Ausgabevorrichtung 28 verbunden
ist. Diese weist zwei Ausgänge 28a und 28b auf,
wobei der Ausgang 28a der Querkomponente iRMq und der Ausgang 28b der
Längskomponente iRMd des Stroms iRMist zugeordnet ist.
Außerdem sind die drei Bausteine 26, 27 und 28 über
eine Steuerleitung 29 mit einer Fehler- bzw. Kurzschlußerkennung 30 verbunden,
mittels derer die im Netz 3 oder in der Leitung 2 fließenden Ströme überwacht
werden. Überschreiten diese Ströme einen vorgegebenen
Sollwert, dann gibt die Fehlererkennung 30 an ihrem Ausgang
ein Fehlersignal auf die Steuerleitung 29. Dies hat zur
Folge, daß die zu diesem Zeitpunkt von der Meßeinrichtung 26 erfaßten
Werte iRMqist und iRMdist in die Speichereinrichtung 27 überführt
und von dort aus als neue Sollwerte an die Ausgänge 28a und 28b der
Ausgabevorrichtung 28 gelegt werden.
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Wie 1 weiter
zeigt, ist die Schalteinrichtung 25 mit zwei schematisch
angedeuteten Schaltkontakten 25a und 25b versehen.
Der Schaltkontakt 25a ist fest mit dem Vergleicher 20,
der Schaltkontakt 25b fest mit dem Vergleicher 21 verbunden.
Außerdem kann der Schaltkontakt 25a von einer
Normalstellung a, in welche er mit dem Ausgang 17a des Sollwertgebers 17 verbunden
ist, in eine Stellung b umgeschaltet werden, in welcher er mit dem
Ausgang 28a der Ausgabevorrichtung 28 verbunden
ist. Entsprechend kann der Schaltkontakt 25b aus einer Stellung
a, in der er mit dem Ausgang 17b verbunden ist, in eine
Stellung b umgeschaltet werden, in der er mit dem Ausgang 28b verbunden
ist.
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Die
Schalteinrichtung 25 ist schließlich über eine
Leitung 31 auch mit der Steuerleitung 29 verbunden.
Das hat zur Folge, daß die Schaltkontakte 25a und 25b,
die sich während des normalen Betriebs der Windkraftanlage
in der Normalstellung a befinden, beim Auftreten eines Kurzschlusses
sofort in die Stellung b umgeschaltet werden. Dadurch ist der Regler 22 nach
dieser Umschaltung vom Sollwertgeber 17 abgekoppelt mit
der Folge, daß die Regelung jetzt anhand der an den Ausgängen 28a und 28b erscheinenden
Sollwerte erfolgt, die den beim Auftreten des Kurzschlusses gerade
vorhandenen Werten iRMqist und iRMdist entsprechen. Das bedeutet,
daß der maschinenseitige Rotorstrom iRM im weiteren Verlauf
seinen im Moment des Kurzschlusses vorhandenen Wert beibehält,
d. h. dieser Wert "eingefroren" wird.
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Durch
die Erfindung wird somit einerseits sichergestellt, daß der
rotorseitige Umrichter 5 trotz eines Kurzschlusses im wesentlichen
nur mit einem auch beim normalen Betrieb auftretenden Strom belastet
wird und daher seine sensiblen Bauelemente nicht beschädigt
werden. Andererseits kann der Statorstrom zumindest über
so viele Perioden der Netzspannung auf einen z. B. 5- bis 15-fachen
Wert ansteigen, der zur sicheren Auslösung aller im Netz 3 vorhandenen
Schutzeinrichtungen führt, daß die mit diesem
verbundenen Geräte und Vorrichtungen ebenfalls keinen Schaden
nehmen können.
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Der
beschriebene Zustand kann somit für eine so große
Zeitspanne (z. B. 2 Perioden der Netzspannung) aufrecht erhalten
werden, wie für das Auslösen der Schutzeinrichtungen
erforderlich ist. Danach kann die Windkraftanlage auf übliche
Weise heruntergefahren oder, sobald die Quelle des Kurzschlusses
beseitigt ist, mit der in den Stellungen a befindlichen Schalteinrichtung 25 weiter
betrieben werden.
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Der
netzseitige Umrichter 6 kann analog zum Umrichter 5 durch
eine PWM-Steuerung 33 gesteuert werden, die ihrerseits
am Ausgang eines Reglers 34 liegt. Dem Regler 34 wird
als Eingangssignal die von einem Vergleicher 35 ermittelte
Differenz zwischen einem Sollwert iRNsoll und einem Istwert iRNist
zugeführt, der an einem zwischen dem Umrichter 6 und dem
Transformator 7 liegenden Verbindungspunkt 36 gemessen wird.
Soll auch der Umrichter 6 vor Kurzschlußströmen
geschützt werden, wird analog zur beschriebenen Regelung
des Umrichters 5 wie folgt vorgegangen:
Es wird zunächst
eine Meßeinrichtung 37 mit dem Verbindungspunkt 36 verbunden,
mittels derer der zwischem dem Umrichter 6 und dem Transformator 7 fließende,
netzseitige Rotorstrom iRN kontinuierlich überwacht wird.
An die Meßeinrichtung 37 ist eine Speichereinrichtung 38 angeschlossen,
die ihrerseits mit einer Ausgabevorrichtung 39 verbunden
ist. Diese weist einen Ausgang auf, der einen dem aktuellen Istwert
des Umrichterstroms entsprechenden Wert iRNist abgibt. Außerdem
sind die drei Bausteine 37, 38 und 39 über
die Steuerleitung 29 mit der Fehlererkennung 30 verbunden.
Schließlich ist der Ausgang der Vorrichtung 39 mit
einer Schalteinrichtung 40 verbunden, die einen Schaltkontakt 40a besitzt
und unter der Steuerung der Fehlererkennung 30 steht. Dieser
Schaltkontakt 40a ist einerseits fest mit einem Eingang
des Vergleichers 35 verbunden und kann andererseits zwischen
einer Stellung a, in der er mit einem Anschluß 41 für
den Wert iRNsoll verbunden ist, in eine Stellung b umgeschaltet
werden, in der er mit dem Ausgang der Ausgabevorrichtung 39 verbunden
ist.
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Im übrigen
versteht sich, daß die Schalteinrichtung 40 wie
auch die Schalteinrichtung 25 vorzugsweise aus elektronischen, über
die Steuersignale in der Steuerleitung 29 unmittelbar steuerbaren Schaltelementen
aufgebaut ist.
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Die
beschriebene Anordnung hat zur Folge, daß beim Auftreten
eines Kurzschlusses die Schalteinrichtung 40 von der Stellung
a auf die Stellung b umgeschaltet und dadurch der aktuelle Strom
iRNist durch den Verbindungspunkt 36 als neuer Sollwert dem
Vergleicher 35 zugeführt wird, wodurch der Strom
durch den Umrichter 6 auf den beim Auftreten eines Kurzschlusses
gerade vorhandenen Wert eingefroren wird. Dadurch ist sichergestellt,
daß auch der Umrichter 6 vor Kurzschlüssen
geschützt wird.
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Da
die Kurzschlußleistung letztendlich über den maschinenseitigen
Umrichter 5 beeinflußt wird, ist es gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen der Erfindung auf einfache Weise
möglich, die Kurzschlußleistung an netzspezifische
oder vom Betreiber der Windkraftanlage gewünschte Anforderungen
anzupassen. Dies erfolgt im allgemeinsten Fall dadurch, daß die
dem Regler 22 zugeführten Werte in Abhängigkeit
vom Gesamtstrom iG oder der Gesamtleistung PG, QG des Generators 1 modifiziert
werden.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel für eine Istwert-Korrektur.
Gleiche Teile sind in 2 mit denselben Bezugszeichen
wie in 1 versehen. Außerdem sind alle nicht
zur Erläuterung der Korrektur benötigten Bauelemente
in 2 weggelassen.
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Die
Istwert-Korrektur erfolgt gemäß 2 dadurch,
daß in die Leitungen, die von den Ausgängen 19a, 19b des
Istwertgebers 19 zu den entsprechenden Vergleichern 20, 21 führen,
je ein Baustein 42, 43 eingebaut wird, der den
aktuellen Istwert iRMqist bzw. iRMdist mit einem Korrekturwert ±kiq
bzw. ±kid modifiziert und beispielsweise eine Summierstufe
ist. Der Korrekturwert ±kiq bzw. ±kid wird z.
B. in einer Multiplizierstufe 44, 45 gebildet,
deren Eingängen der Gesamtstrom iG des Asynchrongenerators
zugeführt wird und deren Ausgänge mit den Bausteinen 42, 43 verbunden
sind. In den Multiplizierstufen 44, 45 wird der
Gesamtstrom iG z. B. mit einem vorher eingestellten Faktor multipliziert,
der kleiner oder größer als 1 und positiv oder
negativ sein kann. Der dadurch erhaltene Korrekturwert kiq, kid
wird dem jeweiligen Istwert iRMqist bzw. iRMdist hinzugefügt oder
von diesem abgezogen. Entsprechend wird der Kurzschlußstrom,
der sich im eingeforenen Zustand ausbildet und z. B. dem 5- bis
15-fachen des Nennstroms entsprechen kann, wahlweise vergrößert
oder reduziert oder auf einen vorgewählten Maximalwert begrenzt.
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3,
in der analog zu 2 gleiche Teile mit denselben
Bezugszeichen wie in 1 versehen sind, erfolgt die
Modifikation des Kurzschlußstroms über eine Sollwertkorrektur
zu diesem Zweck werden hier Summierstufen 46, 47 in
die zur Schalteinrichtung 25 führenden Ausgangsleitungen
der Ausgabevorrichtung 28 gelegt. Analog zu 2 werden
außerdem Multiplizierstufen 48, 49 vorgesehen,
denen einerseits ein dem Gesamtstrom iG entsprechender Wert zugeführt
wird und in denen andererseits dieser Wert iG mit einem vorgewählten
Faktor multipliziert wird. Der dadurch erhaltene Wert wird den Summierstufen 46, 47 zugeführt,
wodurch im Falle eines Kurzschlusses die eingefrorenen Werte iRMqist
und iRMdist entsprechend modifiziert werden.
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Die
Beeinflussung des Kurzschlußstroms kann alternativ von
der Generatorwirk- und/oder der Generatorblindleistung abhängig
gemacht werden. Das ist schematisch in 4 und 5 gezeigt,
die im übrigen den 2 und 3 entsprechen.
Vorzugsweise wird die Querstromkomponente mit einem von der Wirkleistung
PGist am Ausgang 14a abgeleiteten Korrekturwert, die Längsstromkomponente
dagegen mit einem von der Blindleistung QGist am Ausgang 14b abgeleiteten
Korrekturwert modifiziert.
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Im übrigen
sind die Summierstufen 42, 43, 46 und 47 zweckmäßig
ebenfalls an die Steuerleitung 29 angeschlossen und so
eingerichtet, daß sie nur dann, wenn ein Kurzschluß erkannt
wird, aktiv werden.
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Abgesehen
davon ist klar, daß der zum Netz 3 führenden
Leitung 2 zusätzlich ein Überstromschutz 50 zugeordnet
werden kann, der beim Auftreten zu großer Kurzschlußströme
aktiv wird und über eine Verstellung der Blattwinkel der
Turbine 12 eine Strombegrenzung oder Abschaltung der Windkraftanlage
herbeiführt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden
können. Dies gilt insbesondere für die aus 1 ersichtiche
Regelschaltung, die auf vielfache Weise verändert und den
Bedürfnissen des Einzelfalls angepaßt werden kann, mit
oder ohne Transformation der zu den drei Phasen gehörenden
Ströme in ein drehendes Koordinatensystem. Allerdings ist
dies bei dreiphasigen Netzen sinnvoll. Außerdem kann die
Regelung digital oder analog und wahlweise mit Mitteln der Hard-
und/oder Software realisiert werden. Weiter ist klar, daß das Einfrieren
der im Fall eines Kurzschlusses vorhandenen Istwerte der Rotorströme
auch auf eine andere als die beschriebene Weise vorgenommen werden kann.
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Entsprechendes
gilt für die beschriebene Modifizierung (Korrektur) der
Ist- und Sollwerte. Weiter kann der beschriebene, doppelt gespeiste
Asynchrongenerator auch in Verbindung mit anderen Antrieben anstelle
des aus 1 ersichtlichen Antriebs betrieben
werden. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen
Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten
Kombinationen angewendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "Windkraftanlagen"
(PD Dr.-Ing. habil. Siegfried Heier, 4. Auflage, B. G. Teubner-Verlag,
Stuttgart) [0005]
- - S. Heier Seite 119, Bild g [0005]
- - S. Heier aao Seite 119, Bild a [0006]
- - S. Heier aao Seite 119, Bilder b, i, j, h [0006]
- - S. Heier aao Seite 119, Bilder e, f [0006]
- - S. Heier aao Seite 119, Bild g [0008]
- - S. Heer aao Seite 119, Bilder e, f [0010]
- - S. Heer aao S. 98,99 und Bild 2.64 [0027]
- - S. Heer aao Seiten 324 bis 327 und Bild 5.20 [0032]