DE102022107537A1

DE102022107537A1 - Stromaggregat und Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom mit konstanter Netzfrequenz

Info

Publication number: DE102022107537A1
Application number: DE102022107537.0A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Gensior; Hendrik Fehr
Original assignee: Technische Univ Ilmenau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Ilmenau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Ilmenau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Ilmenau Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-03-30
Filing date: 2022-03-30
Publication date: 2023-10-05
Also published as: WO2023186218A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, einen elektrischen Drehzahlwandler mit einer elektrischen Maschine drehzahlstarr, im einfachsten Fall auf einer gemeinsamen Welle, mechanisch zu kaskadieren, wobei der elektrische Drehzahlwandler zwei Rotoren sowie einen zwischen den Rotoren befindlichen elektromechanischen Energiewandler aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromaggregat und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom mit konstanter Netzfrequenz.
Netzgekoppelte Generatoren müssen auf Grund der Forderung nach einer konstanten Netzfrequenz im Allgemeinen mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden. Dies ist besonders dann unvorteilhaft, wenn der optimale Wirkungsgrad des Antriebs bei einer variablen Drehzahl liegt oder wenn aus einem anderen Grund ein drehzahlvariabler Betrieb notwendig ist. Für einen effizienten Betrieb der Kraftmaschine muss also eine Drehzahlanpassung im Dauerbetrieb erfolgen.
Insbesondere Stromaggregate müssen eine große Leistungsreserve vorhalten, um Laststöße beim Schalten von elektrischen Geräten abzufangen. Wenn die Leistungsreserve durch ein Schwungrad bereitgestellt wird, kann die Kraftmaschine besonders effizient betrieben werden. Die nutzbare kinetische Energie eines Schwungradspeichers erhöht sich, wenn das Schwungrad eine höhere Drehzahl und einen größeren Drehzahlbereich nutzt, als derjenige der anzutreibenden Welle. Die Abgabe der Energie in kurzer Zeit erfordert eine Drehzahlanpassung im dynamischen Betrieb, dessen Ende durch eine vernachlässigbare Änderungsrate der Drehzahl bzw. Drehzahldifferenz gegeben ist, wie er beim Umschaltvorgang von Sofortbereitschaftsanlagen auftritt ( DE 2 401 513 A1 ).
Mit der vorliegenden Erfindung kann ein derartiger drehzahlvariabler Betrieb in beiden Anwendungen realisiert werden.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen zur Realisierung eines drehzahlvariablen Antriebs bekannt:

1. Sogenannte back-to-back-Stromrichter in Kombination mit einer elektrischen Maschine: Bei dieser Konfiguration wird einer der Stromrichter am (frequenzkonstanten) Netz betrieben und der andere Stromrichter belastet oder speist frequenzvariabel die elektrische Maschine.
2. Eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine: Dabei handelt es sich um eine elektrische Maschine, deren Stator-Wicklung mit dem Netz verbunden ist und deren Rotor-Wicklung über einen back-to-back-Stromrichter ebenfalls aus dem Netz gespeist wird. In der DE 10 2015 219 418 A1 ist hierzu beispielhaft die Drehzahlanpassung für Dieselaggregate zur Stromerzeugung beschrieben.
3. Bürstenlose doppeltgespeiste Asynchronmaschine, auch Kaskadenmaschine genannt: In dieser Konfiguration werden zwei Maschinen mit Drehfeldwicklungen mechanisch gekoppelt und die Läuferwicklungen geeignet miteinander verbunden. Die Stator-Wicklung der einen Maschine ist direkt und die der zweiten Maschine über einen back-to-back-Stromrichter mit dem Netz verbunden. Es existieren auch integrierte Bauformen, bei denen beide Maschinen den gleichen Magnetkreis nutzen, aber durch unterschiedliche Polpaarzahlen voneinander entkoppelt sind.

Die ersten beiden Konzepte haben vor allem für Windenergieanlagen eine weite Verbreitung gefunden.
Diese bekannten Konzepte weisen jedoch Nachteile auf:

So ist beispielsweise bei einem back-to-back-Stromrichter in Kombination mit einer elektrischen Maschine die Einspeisung von Strom in das Netz durch die Dimensionierung der Stromrichter begrenzt. Zudem kann die thermische Überlastungsfähigkeit der Maschine nicht voll genutzt werden, weil in den üblichen Dimensionierungen der Stromrichterstrom begrenzt ist. Die gesamte elektrische Energie unterliegt zwei Wandlungsstufen, so dass alle Stromrichter für die volle Nennleistung ausgelegt sein müssen.
Bei der doppeltgespeisten Asynchronmaschine muss unterhalb der Synchrondrehzahl elektrische Energie zum Abbremsen der elektrischen Maschine über den Stromrichter eingebracht werden, woraus sich ein ungünstiger Energiefluss ergibt. Beim Einbruch der Netzspannung kommt es bei der üblichen Dimensionierung zu Überspannungen in den Rotor-Wicklungen, für die geeignete Maßnahmen ergriffen werden müssen. Zusätzlich wird die Beherrschung von Spannungseinbrüchen und Netzfehlern durch die während der kritischen Phase geforderte Netzunterstützung erschwert. Außerdem erfordert die Maschine ein Schleifringsystem.
Schließlich ist der Fertigungsaufwand für eine bürstenlose doppeltgespeiste Asynchronmaschine in der integrierten Form sehr hoch. Auch ist hierfür der Regelungsentwurf deutlich komplexer als bei den anderen Konzepten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein Stromaggregat und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom mit konstanter Netzfrequenz bereitzustellen, mit denen ein drehzahlvariabler Betrieb realisiert werden kann.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und zehnten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, einen elektrischen Drehzahlwandler mit der elektrischen Maschine drehzahlstarr, im einfachsten Fall auf einer gemeinsamen Welle mechanisch zu kaskadieren, wobei der elektrische Drehzahlwandler zwei Rotoren sowie einen zwischen den Rotoren befindlichen elektromechanischen Energiewandler aufweist.
Wie in 1 dargestellt, weist ein derartiger elektrischer Drehzahlwandler zwei mechanische Ports und einen elektrischen Port auf, wobei die Drehzahl beider mechanischer Ports unterschiedlich sein kann, sich das Drehmoment des einen mechanischen Ports aber auf dem anderen mechanischen Port abstützt. Dadurch ist das Drehmoment an beiden mechanischen Ports gleich. Die mit dem Drehmoment und der Differenzdrehzahl beider Ports assoziierte Leistung wird durch den elektrischen Port übertragen.
Damit ist es möglich, die variable Drehzahl einer Kraftmaschine auf eine netzgebundene Drehzahl zu wandeln. Dazu wird der erste mechanische Port mit der Welle mit netzgebundener Drehzahl verbunden. Der zu diesem Port gehörige erste Rotor dreht sich gegenüber der festen Umgebung mit der Drehzahl ω_A. Der elektrische Port ist über Schleifringe an die feste Umgebung herausgeführt. Von dort erfolgt eine frequenzvariable Speisung aus dem Netz über back-to-back-Stromrichter. Der zum zweiten mechanischen Port gehörende Rotor rotiert mit einer Drehzahl von ω_B gegenüber der festen Umgebung und mit der Drehzahl ω_B - ω_A gegenüber dem Rotor des ersten Ports bzw. der netzgebundenen Drehzahl.
Durch das Speisen des elektromechanischen Energiewandlers kann nun ein Drehmoment am ersten Port erzeugt werden, das sich auf dem zweiten Port abstützt. D. h. ein Abbremsen des zweiten Ports bewirkt einerseits eine Beschleunigung des ersten Ports, andererseits aber auch einen elektrischen Energiefluss über die Stromrichter ins Netz. Die Aufteilung des Energieflusses auf einen elektrischen und einen mechanischen Port ermöglicht die Teilleistungsbemessung des Stromrichters. Mit gleicher Stromrichterleistung kann eine größere Systemleistung und damit ein Kostenvorteil erreicht werden. Diese Eigenschaft ist für die Drehzahlanpassung der Kraftmaschine sowie für die Drehzahlanpassung des Schwungradspeichers vorteilhaft, wie sie bei drehzahlvariabel betriebenen Stromaggregaten erforderlich ist.
Eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Stromaggregat mit einem drehzahlvariabel betriebenem mechanischem Port (P) und einem Generator (G) mit netzgebundener Drehzahl ist in 2 offenbart. Der elektrische Drehzahlwandler (T1) erlaubt einen drehzahlvariablen Betrieb einer mechanischen Energiequelle oder eines Speichers, wobei mit dem Stromrichter (N1) das System gesteuert wird.
Während bei dem in 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der drehzahlvariabel betriebene mechanische Port (P) mit einer Kraftmaschine (Q) verbunden ist, liegt es auch im Bereich der Erfindung den drehzahlvariabel betriebenen mechanischen Port (P) mit einem Schwungrad (S) zu koppeln (s. 4).
In 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Stromaggregat dargestellt, bei dem der drehzahlvariabel betriebene mechanische Port (P) mit einem Schwungrad (S) verbunden ist und der Generator (G) einen zweiten mechanischen Port aufweist, der mit einer Kraftmaschine (Q) verbunden ist.
Schließlich wird mit 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Stromaggregat vorgestellt, bei dem der drehzahlvariabel betriebene mechanische Port (P) mit einem Schwungrad (S) verbunden ist und der Generator (G) einen zweiten mechanischen Port aufweist, der über einen zweiten elektrischen Drehzahlwandler (T2) mit einer Kraftmaschine (Q) gekoppelt ist.
Bei diesem Aufbau können die Stromrichter (N1) und (N2) und die zugehörigen elektromechanischen Energiewandler so aufeinander abgestimmt werden, dass sich deren Leistungen beim Abruf der kinetischen Energie kompensieren, um die Leistungsbelastung des last- bzw. netzseitigen Stromrichters zu verringern. Dadurch kann das Stromrichtersystem günstiger ausfallen, weil es nur mit einem Bruchteil der Systemleistung belastet wird.
Um die Kurzschlussstromfähigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die volle Systemkontrolle bei Fehlern aufrechtzuerhalten, wird in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung ein gleichstromerregter Synchrongenerator verwendet, der im Normalbetrieb den größten Teil der Last übernimmt und den Kurzschlussstrom bei Fehlern bereitstellt. Der Betrieb mit variabler Drehzahl wird durch den zweiten elektrischen Drehzahlwandler (T2) realisiert. Der erforderliche Energiespeicher ist als Schwungrad (S) ausgeführt, welches über den ersten elektrischen Drehzahlwandler (T1) mit einer gemeinsamen Welle gekoppelt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Teilleistung für die Stromrichter und den Synchrongenerator in allen relevanten Betriebsarten beibehalten. Bei Hochlastbedingungen ist die Drehzahl der Kraftmaschine (Q) höher als die Drehzahl der gemeinsamen Welle und die Schlupfleistung des zweiten elektrischen Drehzahlwandlers (T2) wird über die leistungselektronischen Stromrichter an die Last geliefert, was eine Leistungsaufteilung zwischen den Maschinen und den Konvertern impliziert. Bei einem Lastsprung speist das Schwungrad (S) die Last über den Generator (G) und den netzseitigen Stromrichter ein und beschleunigt gleichzeitig über beide elektrische Drehzahlwandler (T1, T2) die Kraftmaschine (Q). Da der Energiefluss im stationären und dynamischen Betrieb parallele elektrische und mechanische Pfade verwendet, ermöglicht diese Anordnung eine Teilleistungsauslegung sowohl der Stromrichter als auch der elektrischen Maschinen. Sein Hauptnachteil ist die erhöhte Anzahl von Hauptkomponenten. Die Nennleistung jeder Umwandlungsstufe ist jedoch geringer als die volle Systemleistung.
In DE 2 401 513 A1 ist zum Starten oder zur Startunterstützung der Kraftmaschine bei Netzausfall ein zweiter Drehzahlwandler zwischen Speicherschwungrad und elektrischen Maschine vorgesehen. Dies ist jedoch nachteilig für den Fall, dass die elektrische Maschine auf den Bereich oberhalb der netzgebundenen Drehzahl beschleunigt werden soll, weil die nutzbare kinetische Energie kleiner wird, je höher die Enddrehzahl der elektrischen Maschine ist. Außerdem ist es schwieriger, die vorteilhafte Leistungskompensation zu realisieren.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: Da der Generator direkt mit dem Netz verbunden ist, ist die Einspeisung von Strom nicht durch den Stromrichter begrenzt. Zudem kann die Auslegung des Stromrichtersystems auf einen Teil der Gesamtleistung reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2401513 A1 [0002, 0016]
DE 102015219418 A1 [0004]

Claims

Stromaggregat aufweisend: • einen drehzahlvariabel betriebenen mechanischen Port (P) • einen Generator mit netzgebundener Drehzahl (G) • eine leistungselektronische Schaltung (N1) dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Port (P) und der Generator (G) drehzahlstarr mit einem ersten elektrischen Drehzahlwandler (T1) mechanisch kaskadiert sind, wobei der erste elektrische Drehzahlwandler (T1) zwei rotierende mechanische Ports und einen elektrischen Port aufweist und der elektrische Port des ersten elektrischen Drehzahlwandlers (T1) über die leistungselektronische Schaltung (N1) mit dem Netz verbunden ist.
Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlvariabel betriebene mechanische Port (P) drehzahlstarr mit einer Kraftmaschine (Q) verbunden ist.
Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der drehzahlvariabel betriebene Port (P) drehzahlstarr mit einem Schwungrad (S) verbunden ist.
Stromaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (G) einen zweiten mechanischen Port aufweist, der mit einer Kraftmaschine (Q) drehzahlstarr verbunden ist.
Stromaggregat nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromaggregat einen zweiten elektrischen Drehzahlwandler (T2) mit zwei rotierenden mechanischen Ports und einem elektrischen Port umfasst und der zweite mechanische Port des Generators (G) an den ersten mechanischen Port des zweiten elektrischen Drehzahlwandlers (T2) drehzahlstarr gekoppelt ist, wobei der zweite mechanische Port des zweiten elektrischen Drehzahlwandlers (T2) drehzahlstarr an der Kraftmaschine (Q) angeschlossen ist und der elektrische Port des zweiten elektrischen Drehzahlwandlers (T2) über eine zweite leistungselektronische Schaltung (N2) mit dem Netz verbunden ist.
Stromaggregat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen des Generators (G), der Kraftmaschine (Q) und des Schwungrades (S) im Antriebsstrang untereinander variabel sind.
Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leistungselektronischen Schaltungen (N1, N2) miteinander und/oder mit einem elektrischen Energiespeicher gekoppelt sind.
Stromaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils drehzahlstarre mechanische Kopplung als gemeinsame Welle ausgeführt ist.
Stromaggregat nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils drehzahlstarre mechanische Kopplung als mechanisches Getriebe ausgeführt ist.
Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom mit konstanter Netzfrequenz mit einem Stromaggregat nach einem der Ansprüche 1, 2, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Drehzahl der Kraftmaschine (Q) mit Hilfe des elektrischen Drehzahlwandlers (T1) in eine netzgebundene Drehzahl umgewandelt wird, wobei der Energiefluss auf einen mechanischen und einen elektrischen Port aufgeteilt wird.
Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom mit konstanter Netzfrequenz mit einem Stromaggregat nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 6, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Drehzahl des Schwungrads (S) mit Hilfe des ersten elektrischen Drehzahlwandlers (T1) in eine netzgebundene Drehzahl umgewandelt wird, wobei der Energiefluss auf einen mechanischen und einen elektrischen Port aufgeteilt wird.
Verfahren zur Erzeugung von elektrischem Strom mit konstanter Netzfrequenz mit einem Stromaggregat nach einem der Ansprüche 1, 5, 7, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Drehzahl der Kraftmaschine (Q) mit Hilfe des elektrischen Drehzahlwandlers (T2) in eine netzgebundene Drehzahl umgewandelt wird und die variable Drehzahl des Schwungrads (S) mit Hilfe des elektrischen Drehzahlwandlers (T1) in eine netzgebundene Drehzahl umgewandelt wird, wobei der Energiefluss jeweils auf einen mechanischen und einen elektrischen Port aufgeteilt wird.