DE102014107043A1

DE102014107043A1 - Schutzschaltung für eine Stromgeneratoranordnung

Info

Publication number: DE102014107043A1
Application number: DE102014107043.7A
Authority: DE
Inventors: Nico Remus
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-05-19
Filing date: 2014-05-19
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: DE102014107043B4

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Stromgeneratoranordnung bereitgestellt, welche aufweisen kann: einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit einem Stator und einem darin drehbeweglich gelagerten Rotor; eine Schutzschaltung, welcher mindestens drei generatorseitige Anschlüsse und mindestens drei stromnetzseitige Anschlüsse aufweist, wobei jeweils eine von mindestens drei Phasen des Stators und jeweils eine von mindestens drei Phasen des Rotors elektrisch gemeinsam mit jeweils einem generatorseitigen Anschluss gekoppelt sind; einen Umrichter, welcher zwischen den mindestens drei Phasen des Rotors und den mindestens drei generatorseitigen Anschlüssen der Schutzschaltung geschaltet ist; wobei die Schutzschaltung zwei Schaltzustände aufweist, wobei in einem ersten Schaltzustand jeder generatorseitige Anschluss mit jeweils einem stromnetzseitigen Anschluss elektrisch gekoppelt ist, so dass mindestens drei miteinander elektrisch gekoppelte Anschlusspaare gebildet werden, und in einem zweiten Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei Von den mindestens drei elektrisch miteinander gekoppelten Anschlusspaaren unterbrochen ist und ferner die mindestens drei stromnetzseitigen Anschlüsse untereinander kurzgeschlossen sind.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Schutzschaltung für eine Stromgeneratoranordnung.
Die doppelt gespeiste Asynchronmaschine (DGASM) ist neben den Synchrongeneratoren eine der meist eingesetzten Technologien in Windkraftanlagen. Der Schwerpunkt aktueller Forschungsarbeiten an der DGASM liegt bei deren fortlaufenden Betrieb bei eintretendem Netzfehler. Demzufolge sollen sich Windkraftanlagen bei Fehlern im Stromnetz, wie etwa einem Spannungseinbruch, nicht einfach selbst abschalten und müssen beispielsweise im Falle eines Kurzschlusses im öffentlichen Stromnetz einen definierten Blindstrom liefern können, um das Netz zu unterstützen. Unter Umständen kann eine solche netzstabilisierende Maßnahme zur Aufrechterhaltung der Spannung beitragen und eine Abschaltung weiter Windkraftanlagen oder sogar ganzer Windparks verhindern, um einem Netzzusammenbruch vorzubeugen. Dieses „Durchfahren” oder fortlaufendes stabiles Weiterbetreiben einer Windkraftanlage bei einem Netzfehler wird auch mit FRT (fault ride through) bezeichnet. Die DGASM, welche neben elektrisch erregten Synchronmaschinen bei Windkraftanlagen häufig eingesetzt wird, ist jedoch besonders empfindlich gegenüber Netzstörungen, da die Statorwicklungen der Maschine direkt an das Stromnetz gekoppelt sind. Findet zum Beispiel ein Spannungseinbruch statt, kann dies zu einer überhöhten Spannung in den Rotorwicklungen führen, die den rotorseitigen, den netzseitigen Wechselrichter (Umrichter) wie auch den Zwischenkreis gefährden.
Eine mögliche Lösung zum Schutz des Umrichters ist das Hinzufügen einer Überspannungsschutzschaltung zwischen den Rotorwicklungen der DGASM und dem rotorseitigen Wechselrichter, die auch als Crowbar bezeichnet wird. Im Fehlerfall kann so der rotorseitige Wechselrichter von der Maschine getrennt werden und die Rotorwicklungen können über Widerstände der Überspannungsschutzschaltung kurzgeschlossen werden. Bei Einsatz der Überspannungsschutzschaltung im Fehlerfall verhält sich die DGASM nun wie eine gewöhnliche Asynchronmaschine (ASM), die Wirkleistung abgibt und Blindleistung aufnimmt.
Da sich die DGASM durch die Überspannungsschutzschaltung im Fehlerfall des Stromnetzes wie eine Asynchronmaschine verhält, benötigt sie Blindleistung. Durch den netzseitigen Wechselrichter kann diese bereitgestellt werden. Da der Umrichter jedoch in der Regel nur für kleine Leistungen (üblicherweise 25 Prozent der Generatorgesamtleistung) ausgelegt ist, reicht der damit maximal erzeugbare Blindstrom nicht für den Betrieb der DGASM als normale ASM aus. Wenn das fehlerbehaftete Stromnetz die fehlende Blindleistung nicht liefern kann, wird die Stabilität des Stromnetzes zusätzlich negativ beeinflusst. Es wäre deshalb eine neue Topologie einer Stromgeneratoranordnung wünschenswert, mit welcher die eben beschriebenen Probleme zumindest teilweise reduziert oder vermieden werden können.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird eine neue Topologie einer Stromgeneratoranordnung vorgeschlagen, welche beispielsweise in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen kann. Mit der Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die DGASM im Bedarfsfall unter minimalem Hardware-Aufwand vom Stromnetz entkoppelt werden. Das heißt, dass die Windkraftanlage bei einem eintretenden Netzfehler ohne Unterbrechung weiter betrieben werden kann. So ist es möglich, kontrolliert Wirk- und Blindleistung im Rahmen der zulässigen Leiterströme zu liefern und so die Stromnetzstabilität zu unterstützen. Außerdem sind möglicherweise auch keine zusätzlichen Schutzmaßnahmen für einen rotorseitigen Umrichter erforderlich.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Stromgeneratoranordnung bereitgestellt, welche aufweisen kann: einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit einem Stator und einem darin drehbeweglich gelagerten Rotor; einer Schutzschaltung, welche mindestens drei generatorseitige Anschlüsse und mindestens drei stromnetzseitige Anschlüsse aufweist, wobei jeweils eine von mindestens drei Phasen des Stators und jeweils eine von mindestens drei Phasen des Rotors elektrisch gemeinsam mit jeweils einem generatorseitigen Anschluss gekoppelt sind; einen Umrichter, welcher zwischen den mindestens drei Phasen des Rotors und den mindestens drei generatorseitigen Anschlüssen der Schutzschaltung geschaltet ist; wobei die Schutzschaltung zwei Schaltzustände aufweist, wobei in einem ersten Schaltzustand jeder generatorseitige Anschluss mit jeweils einem stromnetzseitigen Anschluss elektrisch gekoppelt ist, so dass mindestens drei miteinander elektrisch gekoppelte Anschlusspaare gebildet werden, und in einem zweiten Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei von den mindestens drei elektrisch miteinander gekoppelten Anschlusspaaren unterbrochen ist und ferner die mindestens drei stromnetzseitigen Anschlüsse untereinander kurzgeschlossen sind. Der Kurzschluss der mindestens drei stromnetzseitigen Anschlüsse bildet anschaulich einen Freilaufpfad für die durch die Drossel eingeprägten Ströme.
Unter den mindestens drei Phasen sind die mindestens drei stromführenden Leitungen der DGASM gemeint. Die Ströme und Spannungen der einzelnen Phasen sind dabei um 120° gegeneinander phasenverschoben. Die mindestens drei Phasen liegen jeweils im Stator und im Rotor getrennt vor und werden mit einzelnen Stromleitungen abgegriffen. Im Hinblick auf weitere Entwicklungen der Energiesysteme in der Zukunft ist jedoch zu betonen, dass das im Rahmen dieser Erfindung beschriebene Prinzip nicht auf Dreiphasenwechselstromsysteme beschränkt ist, sondern auch bei Systemen mit weniger oder mehr Phasen unter entsprechenden Anpassungen angewendet werden kann, wobei die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Phasen dann 350°/n betragen würde, wobei n die Anzahl der unterschiedlichen Phasen des Systems darstellt. Das Wirkprinzip der Schutzschaltung ist unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Phasen und kann bei Bedarf an die Zahl n von Phasen dahingehend angepasst werden, dass in einem ersten Schaltzustand n miteinander elektrisch gekoppelte Anschlusspaare gebildet sind und in einem zweiten Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen mindestens (n – 1) von den n miteinander elektrisch gekoppelten Anschlusspaaren getrennt sind und zusätzlich die stromnetzseitigen Anschlüsse der Schutzschaltung miteinander elektrisch verbunden sind.
Im Rahmen dieser Beschreibung kann unter einem Generator im Wesentlichen die Anordnung aus Stator und Rotor verstanden werden, wohingegen mit Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen das Gesamtsystem gemeint sein kann, also der Generator mit seinen weiteren Bestandteilen, wie der Schutzschaltung oder beispielsweise einem Umrichter. Bei der DGASM spricht man bei dem Stator auch von Ständer und bei dem Rotor von Läufer. Die Schutzschaltung kann auch als AC-Chopper bezeichnet werden. Im ersten Schaltzustand kann die Schutzschaltung so eingerichtet sein, dass er keinen Einfluss auf die Stromführung der Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ausübt, d. h. die Schutzschaltung simuliert oder lässt den direkten Anschluss einer gewöhnlichen dreiphasigen DGASM an das Stromnetz zu. Das heißt, jede Phase des Generators ist mit jeweils einer Phase des Stromnetzes elektrisch gekoppelt. Im zweiten Schaltzustand weicht die Verschaltung der DGASM von ihrem Normalbetrieb (d. h. dem ersten Schaltzustand der Schutzschaltung) dahingehend ab, dass die elektrische Ankopplung der Phasen des Generators an die Phasen des Stromnetzes unterbrochen ist. Genauer gesagt sind bei dem dreiphasigen Drehstromgenerator mindestens zwei Phasen vom Stromnetz getrennt und die stromnetzseitigen Anschlüsse der Schutzschaltung sind untereinander kurzgeschlossen, d. h. sie liegen alle auf dem gleichen Potential.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann der Umrichter eingerichtet sein eine Wechselspannung einer ersten Frequenz in eine Wechselspannung einer zweiten Frequenz umzusetzen. Dabei kann selbstverständlich die Amplitude der Wechselspannung mit der ersten Frequenz von der Amplitude der die Wechselspannung mit der zweiten Frequenz unterschiedlich sein. Der Umrichter kann technisch als ein Frequenzumrichter fungieren. Da der Stator bei der DGASM direkt an das Stromnetz gekoppelt ist, ist der Umrichter zur Entkopplung von variabler Drehfrequenz des Rotors, welche beispielsweise bei einem Windkraftgenerator durch die Windgeschwindigkeit bestimmt sein kann, und fester Stromnetzfrequenz, beispielsweise 50 erforderlich. Der Umrichter liegt dabei im Läuferkreis und braucht nur die Läuferscheinleistung bereitzustellen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann an jedem der mindestens drei generatorseitigen Anschlüsse ein Kondensator angeschlossen sein. Damit ist auch jeweils eine Phase des Stators gemeinsam mit jeweils einer Phase des rotorseitigen Umrichters und darüber mit jeweils einer Phase des Rotors mit einem Kondensator elektrisch verbunden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung können die mindestens drei Kondensatoren untereinander in einer Sternschaltung elektrisch verbunden sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung können die mindestens drei Kondensatoren untereinander in einer Dreieckschaltung elektrisch verbunden sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung können die stromnetzseitigen Anschlüsse der Schutzschaltung an ein Stromnetz koppelbar sein.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann zwischen jedem stromnetzseitigen Anschluss der Schutzschaltung und dem Stromnetz eine Spule elektrisch gekoppelt sein. Im ersten Schaltzustand der Schutzschaltung kann für jeweils eine Phase die Kombination des an diese Phase angeschlossenen Kondensators mit der mit dieser Phase gekoppelten Spule (im Weiteren auch bezeichnet als Drossel) als Filter wirken.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann die Schutzschaltung mindestens zwei bidirektionale Schalter aufweisen, wovon jeweils einer zwischen einem miteinander elektrisch gekoppelten Anschlusspaar elektrisch gekoppelt ist. Jeder dieser mindestens zwei Schalter hat die Funktion, je nach Schaltzustand der Schutzschaltung, entweder eine elektrische Verbindung zwischen einem generatorseitigem Anschluss und einem stromnetzseitigen Anschluss bereitzustellen – also die Phase „durchzuschalten” – oder ebendiese elektrische Verbindung zu unterbrechen. Im Vergleich zu einem DGASM-Generator ohne der Schutzschaltung kommen die zwei bidirektionalen Schalter im zweiten Schaltzustand zum Tragen, um die Funktionalität der Schutzschaltung zu verwirklichen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann die Schutzschaltung mindestens zwei weitere bidirektionale Schalter aufweisen, wovon jeweils einer zwischen einem Paar von stromnetzseitigen Anschlüssen elektrisch gekoppelt ist. Die mindestens zwei weiteren bidirektionalen Schalter können im Prinzip wie die zwei bidirektionalen Schalter ausgebildet sein. Jeder dieser mindestens zwei weiteren bidirektionalen Schalter hat die Funktion im zweiten Schaltzustand der Schutzschaltung eine elektrische Verbindung zwischen zwei stromnetzseitigen Anschlüssen der Schutzschaltung herzustellen – also diese kurzzuschließen. Bezogen auf einen DGASM-Generator ohne die Schutzschaltung kommen die zwei weiteren bidirektionalen Schalter ebenfalls im zweiten Schaltzustand zum Tragen, um die Funktionalität der Schutzschaltung zu verwirklichen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann die Stromgeneratoranordnung eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, welche mit der Schutzschaltung elektrisch gekoppelt ist und eingerichtet ist, die Schutzschaltung in einem Modulations-Betriebsmodus zu betreiben, so dass eine Modulation zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand erfolgt.
Die Steuerungsvorrichtung kann im Allgemeinen eingerichtet sein, den Zustand der Schutzschaltung zu bestimmen, d. h. zu bestimmen, ob die Schutzschaltung zu einem gewissen Zeitpunkt in einem ersten oder in einem zweiten Modus betrieben werden soll. Die Steuerungsvorrichtung kann eine dafür eingerichtete Logikeinheit (implementiert per Software und/oder Hardware) aufweisen, welche auf Grundlage diverser Zustandsparameter ermitteln kann, in welchem Schaltzustand die Schutzschaltung betrieben werden soll. Die diversen Zustandsparameter können beispielsweise den Rotorstrom (d. h. Rotorstromamplitude und Rotorstromflussrichtung in den Rotorphasen), den Statorstrom (d. h. Statorstromamplitude und Statorstromflussrichtung in den Statorphasen), den Spannungszustand der an die generatorseitigen Anschlüsse angeschlossenen Kondensatoren aufweisen. Es kann auch die Spannung und die Stromhöhe (und Stromflussrichtung) der Stromnetzphasen berücksichtigt werden, d. h. der Zustand des Stromnetzes, in das die Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispiele im Normalbetrieb Strom einkoppeln soll. Die Parameter zur Bestimmung des Zustandes des Stromnetzes können dabei mittels entsprechender Sensoren, also Spannungs- und Strommessvorrichtungen, durch die Steuerungsvorrichtung selbst ermittelt werden oder sie können der Steuerungsvorrichtung von einer oder mehreren externen Überwachungsvorrichtungen, welche beispielsweise vom Netzbetreiber unterhalten wird, nachrichtentechnisch übermittelt werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann die Steuerungsvorrichtung eingerichtet sein den Modulations-Betriebsmodus der Schutzschaltung herbeizuführen, wenn die Stromnetzspannung für mindestens eine vorgegebene Zeitspanne einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Im Allgemeinen kann die Steuerungsvorrichtung eingerichtet sein den Modulations-Betriebsmodus der Schutzschaltung unmittelbar nach einem Spannungseinbruch (z. B. sobald wie technisch möglich, nachdem ein Spannungseinbruch detektiert wurde) im Netz herbeizuführen, um die Beeinträchtigung der Stromgeneratoranordnung durch den Spannungseinbruch so gering wie möglich zu halten.
Anders ausgedrückt kann der Modulations-Betriebsmodus der Schutzschaltung eingeleitet werden, wenn die Stromnetzspannung einbricht und von ihrem Nominalwert auf eine geringeren Spannungswert abfällt und auf diesem oder auf einem unter diesem geringeren Spannungswert liegenden Wert für mindestens eine vorbestimmte Zeit verblieben ist. Durch den Modulations-Betriebsmodus kann, trotz Spannungseinbruch, der Leistungs- bzw. Stromfluss zwischen dem Generator und dem Stromnetz mittels der Schutzschaltung kontrolliert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Stromgeneratoranordnung kann der erste Schaltzustand der Schutzschaltung einem störungsfreien Zustand des Netzes entsprechen.
Dementsprechend kann der zweite Betriebsmodus bzw. der Modulations-Betriebsmodus einem störungsbehafteten Zustand des Netzes entsprechen. Hierbei ist als Bezugspunkt für die Feststellung, ob eine Störung vorliegt oder nicht, das Stromnetz zu betrachten, denn die Schutzschaltung soll der FRT-Funktionalität dienen und damit einen stabilen Weiterbetrieb der Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispiele bei Netzfehlern ermöglichen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ferner eine Energiebereitstellungsanordnung bereitgestellt, welche aufweist: eine Struktur, welche eingerichtet ist durch die Kraft eines Fluidflusses in eine rotierende Bewegung versetzt zu werden; ein Getriebe, welches mit der Struktur mechanisch gekoppelt ist und die Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, welche mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt ist.
Bei der Struktur kann es sich beispielsweise um eine rotorblätterangetriebene Rotornabe oder um eine entsprechende vertikale Antriebsfläche einer Vertikalturbine handeln, wobei es sich bei dem Fluid beispielsweise um Luft oder Wasser handeln kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 die Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
2 die Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsbeispielen;
3A die Schutzschaltung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
3B die Schutzschaltung gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsbeispielen;
4 verschiedene Ausführungsbeispiele von bidirektionalen Schaltern; und
5 eine Übersicht eines Windkraftgenerators gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderes”, „hinteres”, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden könnnen, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe verbunden, ”angeschlossen” sowie ”gekoppelt” verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
In 1 ist eine Stromgeneratoranordnung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt, wobei der Einfachheit halber die Beschreibung und Erläuterung auf einer Stromgeneratoranordnung mit drei Phasen basiert. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die hier erläuterten Sachverhalte äquivalent auf eine Stromgeneratoranordnung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen Anwendung finden, welche weniger oder mehr als 3 Phasen aufweisen, also auf eine Stromgeneratoranordnung mit einer Anzahl n von Phasen.
Die Stromgeneratoranordnung 100 weist einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator 102 mit einem Stator 104 und einem darin drehbeweglich gelagerten Rotor 106 auf. Ferner ist eine Schutzschaltung 112 vorgesehen, welche drei generatorseitige Anschlüsse 114 und drei stromnetzseitige Anschlüsse 116 aufweist, wobei jeweils eine von drei Phasen 108 des Stators 104 und jeweils eine von drei Phasen 110 des Rotors 106 elektrisch gemeinsam mit jeweils einem generatorseitigen Anschluss gekoppelt sind. Die Stromgeneratoranordnung 100 weist ferner einen Umrichter 118 auf, welcher zwischen den drei Phasen 110 des Rotors 106 und den drei generatorseitigen Anschlüssen 114 der Schutzschaltung 112 geschaltet ist. Generell können verschiedene Umrichtertopologien zum Einsatz kommen. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Umrichter 118 als ein (direkter oder indirekter) Matrixumrichter konfiguriert sein. Der Umrichter kann beispielsweise auch einen Strom- oder Spannungszwischenkreisumrichter aufweisen – also einen rotorseitigen AC/DC-Wandler 120, welcher mit einem stromnetzseitigen AC/DC-Wandler 122 elektrisch gekoppelt ist, wobei zwischen den beiden ein Zwischenkreiskondensator parallel geschaltet ist (nicht dargestellt). Der Umrichter 118 kann alternativ auch eine Multilevel-Umrichtertopologie aufweisen.
Die Schutzschaltung 112, welche im Folgenden genauer beschrieben wird, weist zwei Schaltzustände auf, wobei in einem ersten Schaltzustand jeder generatorseitige Anschluss 114 mit jeweils einem stromnetzseitigen Anschluss 116 elektrisch gekoppelt ist, so dass drei miteinander elektrisch gekoppelte Anschlusspaare gebildet werden, und in einem zweiten Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei von den drei elektrisch miteinander gekoppelten Anschlusspaaren unterbrochen ist und ferner die drei stromnetzseitigen Anschlüsse 116 untereinander kurzgeschlossen sind.
In 2 ist eine weitere Stromgeneratoranordnung 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Die in 2 dargestellte Stromgeneratoranordnung 200 basiert auf der in 1 dargestellten Stromgeneratoranordnung 100 und ist in einigen Aspekten erweitert. Elemente, die bereits mit Bezug auf die in 1 dargestellte Stromgeneratoranordnung 100 eingeführt und erläutert worden sind, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht erneut beschrieben.
Die Stromgeneratoranordnung 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen weist drei Kondensatoren 202 auf, wobei jeweils ein Kondensator mit einem seiner Anschlüsse an einem der drei generatorseitigen Anschlüsse 114 angeschlossen ist. Die drei Kondensatoren 202 sind in 2 in einer Sternschaltung miteinander verbunden, d. h. ihre anderen Anschlüsse sind alle miteinander verbunden und bilden so einen Sternpunkt. Dieser ist in der in 2 dargestellten Konfiguration schwebend. Alternativ können die Kondensatoren 202 auch in einer Dreiecksschaltung miteinander elektrisch gekoppelt sein, wobei dann je ein Knoten zwischen zwei Kondensatoren mit einem der generatorseitigen Anschlüsse 114 elektrisch gekoppelt ist.
Die in 2 gezeigte Stromgeneratoranordnung 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist an ein Stromnetz 206 elektrisch gekoppelt. Dabei ist jeder der drei stromnetzseitigen Anschlüsse 116 mit einem Stromnetzanschluss des Stromnetzes elektrisch gekoppelt. Jeder stromnetzseitige Anschluss repräsentiert sozusagen eine Phase des Asynchrongenerators 102. Zwischen der Schutzschaltung 112 sind drei Spulen 204 gekoppelt, d. h. jede Phase des doppelt gespeisten Asynchrongenerators 102 ist über eine Spule (wobei die Schutzschaltung 112 den Spulen 204 vorgeschaltet ist) mit dem Stromnetz 206 gekoppelt, je nach Schaltzustand der Schutzschaltung. Den Spulen 204 können weitere elektronische Bauelemente, etwa weitere Schutzvorrichtungen und Schalter, nachgeschaltet sein.
Wie bei konventionellen Windkraftwerken, bei welchen das DGASM-Konzept als Stromgenerator zum Einsatz kommt, ist der Rotor 106 mit dem Umrichter 118 elektrisch gekoppelt. Die Wicklungen des Stators 104 sind jedoch nicht direkt mit dem Stromnetz 206 gekoppelt, sondern mittels der Schutzschaltung 112. Die Schutzschaltung 112 hat unter anderem die Aufgabe je nach Schaltzustand die Kapazitäten 202 von den Spulen 204 und somit auch vom Stromnetz 206 zu entkoppeln. Die Spulen 204 können technisch als Filterdrosseln betrachtet werden, wobei jede der Spulen 204 in Kombination mit dem dazugehörigen (Filter-)Kondensator, d. h. auf der gleichen Phase liegenden Kondensator, eine Filtereinheit bildet.
Die Schutzschaltung 112, welche auch als AC-Chopper bezeichnet werden kann, besitzt, wie eingangs erwähnt, zwei Schaltzustände. Mit den beiden Schaltzuständen lassen sich verschiedene Betriebsmodi realisieren, wobei ein erster Betriebsmodus einem statischen Schaltzustand entsprechen kann und ein zweiter Betriebsmodus einem modulierten, also nicht statischen Schaltzustand der Schutzschaltung 112 entsprechen kann (Modulations-Betriebsmodus), in dem zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand der Schutzschaltung 112 hin und her geschaltet werden kann gemäß einem vorgegebenen Schaltmuster. Dieser Aspekt wird noch später genauer erläutert.
Die Funktion der Schutzschaltung 112 kann darin gesehen werden, dass die Stator- und Rotorwicklungen von den Filterdrosseln 204 und damit auch vom Stromnetz 206 getrennt werden können. Bei einem Fehler im Stromnetz 206, bei dem beispielsweise die Spannung einbricht, können die Kondensatoren 202 mittels der Schutzschaltung 112, welche in einem Betriebsmodus betrieben werden kann, bei dem zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand hin und her geschaltet werden kann, auf eine vordefinierte Spannung eingestellt werden. Damit kann dem Stator 104 eine frei einstellbare Spannung bei eintretenden Netzfehlern bereitgestellt werden, so dass der Asynchrongenerator 102 bei Spannungseinbrüchen im Stromnetz 206 weiter ordnungsgemäß betrieben werden kann.
Das Innenleben der Schutzschaltung 112 ist in 3A in größerem Detail dargestellt. Wie gezeigt, ist jeder der generatorseitigen Anschlüsse 114 mit jeweils einem der stromnetzseitigen Anschlüsse 116 elektrisch verbunden, wobei im Falle von zwei Phasen – hier bei der ersten und der dritten, wobei willkürlich von oben nach unten durchnummeriert wird, jeweils ein Schalter diese Verbindung schaltbar gestaltet. Anders ausgedrückt ist zwischen dem ersten und dem dritten Anschlusspaar, wobei ein Anschlusspaar einen generatorseitigen und einen stromnetzseitigen Anschluss aufweist, entsprechend ein erster Schalter 302 beziehungsweise ein zweiter Schalter 304 elektrisch gekoppelt. Es sei nochmals betont, dass die Zuordnung des ersten Schalters 302 und des zweiten Schalters 304 zu den Phasen innerhalb der Schutzschaltung 112 willkürlich ist. Ferner ist ein Schalter zwischen je zwei Paaren von Phasen bereitgestellt, so dass die dazugehörigen Phasen stromnetzseitig innerhalb der Schutzschaltung 112 miteinander elektrisch verbunden werden können. In diesem Ausführungsbeispiel ist also ein dritter Schalter 306 zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase geschaltet und ein vierter Schalter 308 ist zwischen der zweiten Phase und der dritten Phase geschaltet. Damit ist die Phase, auf der zwischen ihrem Anschlusspaar kein Schalter vorhanden ist, mit den anderen beiden Phasen mittels Schaltern elektrisch koppelbar. Alternativ kann jedoch auch ein Schalter zwischen dem zweiten Anschlusspaar bereitgestellt werden, so dass die elektrische Verbindung zwischen dem generatorseitigen Anschluss und dem stromnetzseitigen Anschluss jeder Phase bei Bedarf mittels eines Schalters getrennt werden kann. Der zusätzliche Schalter kann als redundant betrachtet werden, da der erste Schalter 302 und der zweite Schalter 304 zur Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zwischen Filterkondensator und Filterdrossel ausreichen. Der zusätzliche Schalter kann jedoch die Ausfallsicherheit bzw. die Zuverlässigkeit der Schutzschaltung 112 erhöhen, falls beispielsweise der erste Schalter 302 oder der zweite Schalter 304 ausfallen sollte.
Im ersten Schaltzustand sind der erste Schalter 302 und der zweite Schalter 304 geschlossen, wohingegen der dritte Schalter 306 und der vierte Schalter 308 geöffnet sind. Im Rahmen dieser Beschreibung ist unter einem geschlossenen Schalter ein Schalter zu verstehen, der in seinem elektrisch leitfähigen Zustand vorliegt. Dementsprechend ist unter einem geöffneten Schalter ein Schalter zu verstehen, der in seinem elektrisch nicht leitfähigen Zustand vorliegt. Der erste Schaltzustand entspricht einem Schaltzustand, der einem Nichtvorhandensein der Schutzschaltung 112 entspricht, denn in diesem Fall ist jede der drei Phasen des Asynchrongenerators 102 mit dem Stromnetz 206 gekoppelt. Im ersten Schaltzustand der Schutzschaltung 112 sind die Kondensatoren 202 mit der dreiphasigen Drossel (d. h. den drei Spulen 204) verbunden.
Im zweiten Schaltzustand werden alle Schalter im Vergleich zum ersten Schaltzustand in ihren komplementären Schalzustand versetzt. Das heißt, der erste Schalter 302 und der zweite Schalter 304 sind geöffnet, wohingegen der dritte Schalter 306 und der vierte Schalter 308 geschlossen sind. Im zweiten Schaltzustand sind die Kapazitäten 202 von den Spulen 204 elektrisch isoliert, also nicht mit ihnen elektrisch verbunden, und der Netzstrom kann durch den so mit dem dritten Schalter 306 und dem vierten Schalter 308 gebildeten Sternpunkt fließen.
In dem zweiten Betriebsmodus, welcher beispielsweise eingeleitet werden kann, wenn die Spannung am Stromnetz 206 einbricht und für mindestens eine vorbestimmte Zeit bei oder unter einem Schwellenwert verbleibt und damit ein Stromnetzfehler detektiert wird oder vorliegt, kann durch Modulation der ersten beiden Schaltzustände (d. h. des ersten Schaltzustands und des zweiten Schaltzustands) trotz des Spannungseinbruchs der Leistungsfluss bzw. Stromfluss am Stromnetz 206 über die Schutzschaltung 112 gesteuert werden.
Die Spannung am Stator 104 kann in ihrer Amplitude und Phase frei eingestellt werden. Denn die Spannung der Kondensatoren 202 kann durch den Statorstrom des Asynchrongenerators 102, den Eingangsstrom des Umrichters 118 und durch den in den oder von der Schutzschaltung 112 fließenden Strom eingestellt werden. Folglich ist auch die Blindleistung einstellbar, welche dem Stromnetz 206 abverlangt wird. Dieser Effekt kann sich im Bedarfsfall positiv auf die Stabilisierung des Stromnetzes 206 im Fehlerfall auswirken.
In 3B ist eine weitere Ausgestaltung der Schutzschaltung 112 gezeigt. Im Vergleich zu der in 3A gezeigten Ausgestaltung sind hier die einzelnen Schalter in größerem Detail dargestellt. Mit dem in 3B dargestellten Schaltplan kann eine sichere Stromkommutierung untersucht werden. Werden zusätzlich die passiven Elemente wie die Kondensatoren 202 und/oder die Drosseln 204 berücksichtigt, kann der Einfluss der Schutzschaltung 112 auf den Asynchrongenerator 102 und das Stromnetz 206 untersucht werden. Beispielsweise kann so der Modulations-Betriebsmodus untersucht werden, bei dem ein getaktetes Schalten zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand erfolgt. Die Filterkondensatoren 202 sind durch die Spannungsquellen 310, 312 mit verketteten Spannungen u_S12 und u_S23 ersetzt. An Stelle der Filterdrosseln 204 sind die Stromquellen 314, 316, 318 eingesetzt, welche die entsprechenden Netzströme i_N1 bis i_N3 bereitstellen.
Bei den Schaltern 302, 304, 306, 308, welche im Schutzschaltkreis 112 zum Einsatz kommen, handelt es sich um bidirektionale Schalter, also Schalter, welche in der Lage sind, den Strom in beiden Flussrichtungen zu leiten. Jeder der Schalter 302, 304, 306, 308 weist beispielsweise zwei Leistungsschalter, beispielsweise zwei Leistungshalbleiterschalter auf, bei denen es sich in dieser beispielshaften Ausführungsform der Schutzschaltung 112 um IGBTs (insulated gate bipolar transistor – Bipolartransistor mit isoliertem Gate-Elektrode) handelt, welche emitterseitig oder kollektorseitig miteinander verbunden sind. Generell kann bei den Schaltern, aus denen die bidirektionalen Schalter 302, 304, 306, 308 aufgebaut sind, auf andere Leistungsschalter zurückgegriffen werden, wie etwa Leistungs-MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field effect transistor – Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistor).
Die Schutzschaltung 112 kann eingesetzt werden, um die elektrische Verbindung zwischen den Filterkondensatoren 202 und den dazugehörigen Filterdrosseln 204 zu trennen, was mittels des ersten Schalters 302 und des zweiten Schalters 304 erfolgt, und zusätzlich um einen Freilaufpfad für den Netzstrom über den dritten Schalter 306 und den vierten Schalter 308 bereitzustellen. Dieser Zustand entspricht dem zweiten Schaltzustand und kann als eine Art Schutzzustand betrachtet werden. Im zweiten Schaltzustand sind die auf die Filterkondensatoren 202 wirksamen Ströme i_C1 bis i_C3 Null, wobei der Strom i_C1 mit dem ersten der drei Filterkondensatoren 202 assoziiert ist, der Strom i_C2 mit dem zweiten der drei Filterkondensatoren 202 assoziiert ist und der Strom i_C3 mit dem dritten der drei Filterkondensatoren 202 assoziiert ist. Die verketteten Spannungen u_C12 und u_C23, welche an dem dritten Schalter 306 bzw. am vierten Schalter 308 abfallen, sind ebenfalls Null.
Im ordnungsgemäßen, also störungsfreien Zustand des Netzes kann die Schutzschaltung 112 derart betrieben werden, dass sie im ersten Schaltzustand verbleibt, bei dem der erste Schalter 302 und der zweite Schalter 304 geschlossen sind und der dritte Schalter 306 und der vierte Schalter 308 offen sind. Daraus ergeben sich die folgenden Spannungen und Ströme: u_C12 = u_S12 = u_S1 – u_S2 (1) u_C23 = u_S23 = u_S2 – u_S3 (2) i_Cx = i_Nx für x = 1, 2, 3 (3)
Hierbei bezeichnen die Spannungen u_Sz, mit z = 1, 2, 3 die Spannungen auf den einzelnen der drei Kondensatoren 202.
Die Schaltfolge der einzelnen Schalter 302, 304, 306, 308 ist abhängig von den Vorzeichen der verketteten Spannungen u_S12 und u_S23 sowie von den Vorzeichen der Netzströme i_N1, i_N2 und i_N3. Die Stromkommutierung kann hierbei der eines direkten Matrixumrichters entsprechen.
Die Ansteuerung der Schalter 302, 304, 306, 308 im zweiten Betriebsmodus, bei dem eine modulierte Umschaltung zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand erfolgt, kann durch eine direkte Regelung oder auch durch ein PWM-Verfahren (PWM: pulse width modulation – Pulsweitenmodulation) erfolgen. Aus dem Verhältnis der anteiligen Schaltzeiten, also dem Verhältnis aus den Zeiten, in denen die Schutzschaltung 112 im ersten und im zweiten Schaltzustand verweilt, entsteht der Modulationsgrad m_C, mit dem sich die Ströme i_C1, i_C2 und i_C3 sowie die verketteten Spannungen u_C12 und u_C23 innerhalb der Schutzschaltung 112 ergeben. Die eben angesprochenen Spannungen und Ströme im zweiten Betriebsmodus können wie folgt berechnet werden: u_C12 = m_C·u_S12 (4) u_C23 = m_C·u_S23 (5) i_Cx = m_C·i_Nx für x = 1, 2, 3 (6)
Der Modulationsgrad m_C hat folgende Bedeutung: Sind der erste Schalter 302 und der zweite Schalter 304 für die gesamte Abtastzeit bei einer Ansteuerung mittels PWM geschlossen und gleichzeitig der dritte Schalter 306 und der vierte Schalter 308 geöffnet, dann ist m_C = 1. Dieser Fall entspricht dem ersten (statischen) Betriebsmodus (und damit dem ersten Schaltzustand), so dass Gleichungen (4)–(6) in die Gleichungen (1)–(3) übergehen. Umgekehrt, wenn über die gesamte Abtastzeit der erste Schalter 302 und der zweite Schalter 304 geöffnet und gleichzeitig der dritte Schalter 306 und der vierte Schalter 308 geschlossen sind, hat der Modulationsgrad m_C den Wert Null. Man sieht also, dass man im zweiten Betriebsmodus durch Anpassen des Modulationsgrades m_C die auf die Filterkondensatoren 202 wirksamen Ströme i_C1 bis i_C3 und die an den Kondensatoren 202 anliegende Spannungen u_S1 bis u_S3 einstellen kann. Mittels der Schutzschaltung kann der netzseitige Stromfluss auch bei einer Netzspannung nahe Null uneingeschränkt geregelt werden. Anders ausgedrückt bleiben die an den Kondensatoren 202 anliegende Spannungen kontrollierbar.
In den 4A bis 4C sind beispielhafte Ausführungsformen von bidirektionalen Schaltern gezeigt, welche als die Schalter 302, 304, 306, 308 in der Schutzschaltung 112 zum Einsatz kommen können. In allen in den 4A bis 4C gezeigten Ausführungsformen ist der mindestens eine bauteilmäßige Schalter als ein IGBT dargestellt, welcher jedoch gegen einen gleichwertigen Leistungsschalter, beispielsweise einen Leistungs-MOSFET, ersetzt werden kann.
Der in 4A gezeigte bidirektionale Schalter 400 weist zwischen einem ersten Anschluss 402 und einem zweiten Anschluss 404 zwei parallele Stränge auf, wobei in jedem Strang zwei Dioden mit ihren gleichen Anschlüssen in Reihe zusammengeschaltet sind. In einem ersten Strang ist eine erste Diode 408 mit ihrer Kathode an eine Kathode einer zweiten Diode 410 angeschlossen. In einem zweiten Strang ist eine dritte Diode 412 mit ihrer Anode an eine Anode einer vierten Diode 414 angeschlossen. Ein Schalter 416, in diesem Fall ein IGBT, ist zwischen den beiden Stränge geschaltet, so dass sein Kollektor mit den beiden Katoden der Dioden 408, 410 des ersten Stranges elektrisch gekoppelt ist und sein Emitter mit den Anoden der Dioden 412, 414 des zweiten Stranges elektrisch gekoppelt ist. Je nach Stromflussrichtung des an den bidirektionalen Schalter 400 anliegenden Stromes fließt der Strom entweder vom ersten Anschluss 402 über die erste Diode 408, über den Schalter 416 und über die dritte Diode 412 zum zweiten Anschluss 404 oder vom zweiten Anschluss 404 über die zweite Diode 410, den Schalter 416 und über die vierte Diode 414 zum ersten Anschluss 402.
In 4B ist eine weitere Ausführungsform eines bidirektionalen Schalters 420 gezeigt. Der bidirektionale Schalter 420 weist zwischen einem ersten Anschluss 402 und einem zweiten Anschluss 404 ebenfalls zwei parallel angeordnete Stränge auf, wobei ein erster Strang zwei Leistungsschalter 426, 428, beispielsweise zwei IGBT, in einer Reihenanordnung aufweist und ein zweiter Strang zwei Dioden 422, 424 in einer Reihenschaltung aufweist. Im ersten Strang sind die beiden IGBT 426, 428 emitterseitig miteinander gekoppelt, sie können aber auch kollektorseitig miteinander gekoppelt werden. Im zweiten Strang sind zwei Dioden 422, 424 anodenseitig miteinander gekoppelt. Ferner sind der Knoten zwischen den beiden Leistungsschaltern 426, 428 und der Knoten zwischen den beiden Dioden 422, 424 miteinander elektrisch verbunden. Je nach Stromflussrichtung des an den bidirektionalen Schalter 420 anliegenden Stromes fließt der Strom stets durch einen der Leistungsschalter 426, 428 und durch eine der Dioden 422, 424. Der Unterschied zum ersten bidirektionalen Schalter 400 aus 4A kann darin gesehen werden, dass die Spannung über dem zweiten beispielhaften bidirektionalen Schalter 420 nur einmal um eine Dioden-Durchlassspannung erniedrigt wird. Die in 4B dargestellte Ausführungsform kann beispielsweise dahingehend abgewandelt werden, dass ein Leistungsschalter und eine Diode, die zusammen an einen gleichen Anschluss 402, 404 gekoppelt sind, gegeneinander getauscht werden, also etwa der Leistungsschalter 428 an die Stelle der Diode 422 gesetzt wird und umgekehrt.
Schließlich ist in 4C eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines bidirektionalen Schalters 440 dargestellt, bei dem zwischen dem ersten Anschluss 402 und dem zweiten Anschluss 404 ein erster Schalter 442 und zweiter Schalter 444 antiparallel zueinander geschaltet sind. Im Falle von IGBTs ist der Kollektor des ersten Transistors 442 mit dem Emitter des zweiten Transistors 444 elektrisch gekoppelt und der Kollektor des ersten Transistors 442 ist mit dem Emitter des zweiten Transistors 444 elektrisch gekoppelt. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform des bidirektionalen Schalters 440 fließt der Strom je nach Stromflussrichtung entweder durch den ersten Schalter 442 oder durch den zweiten Schalter 444 gänzlich ohne einen durch eine etwaige Diode zusätzlich verursachten Spannungsabfall.
In 5 ist die Schutzschaltung 112 in einer möglichen Gesamttopologie eines Windkraftgenerators 500 gezeigt. Die Generatoranordnung ist in einer Gondel 502 angeordnet, welche drehbar auf einem Turm (nicht in 5 gezeigt) gelagert sein kann. An der Stirnseite der Gondel 502 ist eine Rotornabe 504 mit daran verstellbar befestigten Rotorblättern 506 befestigt. Die durch Wind mittels der Rotorblätter 506 in Drehung versetzbare Rotornabe 504 ist mechanisch mit einem Getriebe 508 gekoppelt, welches wiederum die DGASM 102 antreibt. Wie bereits beschrieben, ist der Stator der DGASM 102 an die generatorseitigen Anschlüsse der Schutzschaltung 112 gekoppelt. Der Rotor der DGASM 102 ist über den Umrichter 118 ebenfalls an die generatorseitigen Anschlüsse der Schutzschaltung 112 gekoppelt. Zusätzlich sind Kondensatoren 202 mit dem Rotor und dem Stator der DGASM 102 gekoppelt, wobei ihre Anzahl der Anzahl der in der DGASM bereitgestellten Phasen entsprechen kann, die heutzutage üblicherweise drei entspricht. Parallel zur Schutzschaltung 112 ist ein Bypass-Schaltkreis 512 angeordnet, mittels welchem bei Bedarf der Stromfluss um die Schutzschaltung 112 unter deren Umgehung geleitet werden kann. Der Bypass-Schaltkreis 512 ist eine optionale Erweiterung und kann zum Überbrücken der Schutzschaltung 112 im fehlerfreien Betrieb des Netzes eingesetzt werden, um Leitungsverluste durch die Leistungsschalter der Schutzschaltung 112 zu verringern. In diesem Fall ist die Schutzschaltung 112 inaktiv und alle darin angeordneten Leistungsschalter sind geöffnet. Die Schutzschaltung 112 ist über die Drosseln 204 mit dem Stromnetz 206 gekoppelt. In der Gondel 502 ist ferner eine Regelungsschaltung 510 vorgesehen, welche den Betrieb der Generatoranordnung überwacht und regelt. Bei der Regelungsschaltung 510 kann es sich beispielsweise um eine entsprechend verdrahtete Hardware oder eine entsprechend für die Regelung der Generatoranordnung ausgelegte Software handeln, welche auf einer Rechenvorrichtung ausführbar ist. Die Regelungsschaltung 510 kann diverse Messparameter wie etwa den Rotorstrom i_R, den Statorstrom i_S, die Kondensatorspannungen u_C, sowie die Spannung u_N und den Strom i_N am Stromnetz 206 bestimmen, wobei diese Parameter für jede der Phasen ermittelt werden können. Die Regelungsschaltung 510 kann eingerichtet sein, auf Grundlage dieser Parameter den Betrieb der Generatorvorrichtung zu steuern oder zu regeln. Dazu kann sie entsprechende Steuerungssignale erzeugen und an operative Einheiten der Generatorvorrichtung übermitteln. Beispielsweise kann mittels eines ersten Steuerungssignals S_Umrichter der Umrichter 118 angesteuert werden, so dass die Frequenz und Höhe der umgesetzten Spannung bestimmt werden kann. Mittels eines zweiten Steuerungssignals K_Bypass kann der Bypass-Schaltkreis aktiviert oder deaktiviert werden. Mittels eines dritten Steuerungssignals S_Chopper kann der Betriebsmodus der Schutzschaltung 112 bestimmt werden, also etwa der erste oder der zweite Betriebsmodus gewählt werden.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Integration der Schutzschaltung 112 in eine DGASM viele vorteilhafte Effekte haben kann. Zum einen kann die gesamte DGASM bei Bedarf, etwa bei gravierenden Netzstörungen, vom Stromnetz und damit von den Netzstörungen mittels der Schutzschaltung entkoppelt werden. Ferner kann bei einem Spannungseinbruch im Stromnetz eine kontrollierte Leistung an das Stromnetz mittels der Schutzschaltung geliefert werden. Insbesondere kann bei einem Spannungseinbruch im Stromnetz neben einer Wirkleistung auch eine Blindleistung in das Stromnetz eingekoppelt werden.
Dadurch kann die DGASM bei Eintritt eines Netzfehlers ununterbrochen weiter betrieben werden und gegebenenfalls dabei helfen, das Stromnetz zu stabilisieren. Die Schutzschaltung kann in die bestehende Generatortopologie mittels nur vier bidirektionalen Schaltern implementiert werden und ist damit mit einem geringen zusätzlichen Hardware-Aufwand verbunden. Zudem sind keine zusätzlichen Komponenten zum Schutz des rotorseitigen Umrichters erforderlich, wie etwa eine Crowbar-Schutzschaltung. Im normalen Betrieb ist die Schutzschaltung aus dem Leistungsfluss ausgeschlossen, wodurch unnötige Leistungsverluste minimiert werden können. Insgesamt bleiben durch die Integration der Schutzschaltung in eine DGASM deren Vorzuge wie die variable Geschwindigkeit der Windturbine und ein auf etwa nur 25% bis 30% der Generatorleistung ausgelegter Umrichter erhalten.

Claims

Stromgeneratoranordnung, aufweisend: • einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit einem Stator und einem darin drehbeweglich gelagerten Rotor; • eine Schutzschaltung, welche mindestens drei generatorseitige Anschlüsse und mindestens drei stromnetzseitige Anschlüsse aufweist, wobei jeweils eine von mindestens drei Phasen des Stators und jeweils eine von mindestens drei Phasen des Rotors elektrisch gemeinsam mit jeweils einem generatorseitigen Anschluss gekoppelt sind; • einen Umrichter, welcher zwischen den mindestens drei Phasen des Rotors und den mindestens drei generatorseitigen Anschlüssen der Schutzschaltung geschaltet ist; • wobei die Schutzschaltung zwei Schaltzustände aufweist, wobei in einem ersten Schaltzustand jeder generatorseitige Anschluss mit jeweils einem stromnetzseitigen Anschluss elektrisch gekoppelt ist, so dass mindestens drei miteinander elektrisch gekoppelte Anschlusspaare gebildet werden, und in einem zweiten Schaltzustand die elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei von den mindestens drei elektrisch miteinander gekoppelten Anschlusspaaren unterbrochen ist und ferner die mindestens drei stromnetzseitigen Anschlüsse untereinander kurzgeschlossen sind.
Stromgeneratoranordnung gemäß Anspruch 1, wobei an jedem der mindestens drei generatorseitigen Anschlüsse ein Kondensator angeschlossen ist.
Stromgeneratoranordnung gemäß Anspruch 2, wobei die mindestens drei Kondensatoren untereinander in einer Sternschaltung elektrisch verbunden sind.
Stromgeneratoranordnung gemäß Anspruch 2, wobei die mindestens drei Kondensatoren untereinander in einer Dreieckschaltung elektrisch verbunden sind.
Stromgeneratoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die stromnetzseitigen Anschlüsse an ein Stromnetz koppelbar sind.
Stromgeneratoranordnung gemäß Anspruch 5, wobei zwischen jedem stromnetzseitigen Anschluss der Schutzschaltung und dem Stromnetz eine Spule elektrisch gekoppelt ist.
Stromgeneratoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Schutzschaltung mindestens zwei bidirektionale Schalter aufweist, wovon jeweils einer zwischen einem miteinander elektrisch gekoppelten Anschlusspaar elektrisch gekoppelt ist.
Stromgeneratoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schutzschaltung mindestens zwei weitere bidirektionale Schalter aufweist, wovon jeweils einer zwischen einem Paar von stromnetzseitigen Anschlüssen elektrisch gekoppelt ist.
Stromgeneratoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend: eine Steuerungsvorrichtung, welche mit der Schutzschaltung elektrisch gekoppelt ist und eingerichtet ist, die Schutzschaltung in einem Modulations-Betriebsmodus zu betreiben, so dass eine Modulation zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand erfolgt.
Stromgeneratoranordnung gemäß Anspruch 9, wobei die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist den Modulations-Betriebsmodus der Schutzschaltung herbeizuführen, wenn die Stromnetzspannung für mindestens eine vorgegebene Zeitspanne einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Stromgeneratoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Schaltzustand der Schutzschaltung einem störungsfreien Zustand des Netzes entspricht.
Energiebereitstellungsanordnung, aufweisend: • eine Struktur, welche eingerichtet ist durch die Kraft eines Fluidflusses in eine rotierende Bewegung versetzt zu werden; • ein Getriebe, welches mit der Struktur mechanisch gekoppelt ist; • die Stromgeneratoranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, welche mit dem Getriebe mechanisch gekoppelt ist.