DE10210164A1

DE10210164A1 - Vorrichtung zur mehrfachen Gleichrichterspeisung eines Synchrongenerators in einer Kraftanlage

Info

Publication number: DE10210164A1
Application number: DE2002110164
Authority: DE
Inventors: Michael Henschel; Henning Schneider; Andreas Vath
Original assignee: Individual
Current assignee: Vensys Energy AG
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2003-09-18

Abstract

Synchrongeneratoren werden oft an einem Gleichrichter betrieben. Dabei wird die Auslegung bzw. leistungsbezogene Dimensionierung des entsprechenden Synchrongenerators von der Betriebsart des Gleichrichters beeinflusst. Man unterscheidet hierbei gesteuerte Gleichrichter (z. B. IGBT-Gleichrichter) und ungesteuerte Gleichrichter (z. B. Diodenbrücke). Aus Kostengründen wird oft ein ungesteuerter Gleichrichter verwendet. Dies führt dazu, dass der Generator eine geringe Kraftdichte aufweist und somit groß, schwer und teuer wird. Ein gesteuerter Gleichrichter hingegen ermöglicht eine günstige Bestromung des Generators, der somit eine hohe Kraftdichte ermöglicht und klein und kostengünstig gebaut werden kann. Jedoch ist ein gesteuerter Gleichrichter ungleich teurer und weist zudem eine verringerte Zuverlässigkeit auf. Das hier vorgestellte Verfahren soll die Vorzüge beider Gleichrichter vereinen. DOLLAR A Dafür muss der Synchrongenerator (30) mehrere, beispielsweise zwei getrennte Wicklungssysteme besitzen (31 und 32), von denen an mindestens einem jeweils ein ungesteuerter (11) und an mindestens einem anderen ein gesteuerter Gleichrichter (10) angeschlossen wird. Die Gleichrichter speisen vorzugsweise auf einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis (20) ein. Der gesteuerte Gleichrichter kann mit Hilfe von Trennschaltern (50 und 51) im Falle einer Störung vom Generator und/oder Gleichspannungszwischenkreis getrennt werden. DOLLAR A Das Anwendungsgebiet dieser Erfindung liegt ...

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mehrfachen Gleichrichterspeisung eines Synchrongenerators mit Gleichspannungszwischenkreis angekoppelt an eine im Bereich erneuerbarer Energiequellen, wie beispielsweise der Wind- oder Gezeitenenergie, eingesetzten Kraftanlage mit Wind- oder Wasserturbine zur Umwandlung durch Naturgewalten bzw. -kräfte an der Kraftanlage geleisteter mechanischer Arbeit in elektrische Energie bzw. elektrische Leistung und deren Einspeisung in ein entsprechendes Stromversorgungs- und/oder Inselnetz.

Stand der Technik

Windkraftanlagen, mit Turm, darauf befindlicher Gondel mit Windturbine mit Rotor und Generator, werden zumeist mit robusten Asynchrongeneratoren ausgestattet und mittels zwischengeschaltetem mechanischem Getriebe und Transformator direkt an ein Stromversorgungsnetz gekoppelt. Nachteilig wirken sich hierbei durch das Getriebe bedingte Verlustleistungen, in Folge des Getriebes zu erbringende Wartungsaufwendungen sowie eine konstante Drehzahl der Windkraftanlage aus. Die konstante Drehzahl führt ihrerseits zu einer nicht optimalen Energieausbeute bzw. Leistungsumwandlung und zu Netzrückwirkungen, beispielsweise hervorgerufen durch auftretende Windböen oder das Eintreten eines der Rotorblätter in den Turmschatten der Windkraftanlage.
Um vorgenannte Einschränkungen der Asynchrongeneratoren zu umgehen bzw. zu vermeiden, werden Windkraftanlagen in zunehmendem Maße mit getriebelosen, drehzahlvariablen Synchrongeneratoren ausgestattet.
Zur Vermeidung etwaiger Erregerverluste können bei Synchrongeneratoren Permanentmagnete zur Erregung des Polradfeldes des Generators eingesetzt werden, was gleichzeitig auch zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Generators beiträgt. Ein Nachteil ist hierbei, dass eine Regelung des Generators nur noch von außen, d. h. nicht mehr über das Erregerfeld geschehen kann. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf solche permanenterregten Synchrongeneratoren.
Bekannte drehzahlvariable Generatoren werden über einen Umrichter mit Gleich- und Wechselrichter an das jeweilige Stromversorgungsnetz angeschlossen. Für den Umrichter können sowohl gesteuerte, aktive Gleichrichter, wie beispielsweise IGBT's (integrated gate bipolar transistors), MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transisitors), IGCT's (integrated gate commutated thyristors) und GTO's (gate turn-off thyristors), als auch ungesteuerte Gleichrichter, beispielsweise in Form einer 6-, 12-, 18- oder 24-pulsigen Diodenbrücke, eingesetzt werden. Die Beschaltung, Dimensionierung und Betriebsart des jeweiligen Gleichrichters hat hierbei Einfluss auf die Auslegung bzw. leistungsbezogene Dimensionierung des entsprechenden Synchrongenerators.
Durch den Einsatz eines gesteuerten, aktiven Gleichrichters, beispielsweise mit feldorientierter Regelung oder Vektorregelung, direkter Selbstregelung oder direkter Momentenregelung, ist bei entsprechender Stromrichterregelung der Ständerstrom des Generators in Amplitude und Phase frei einstellbar. Hierdurch kann der Generator bei einem sinusförmigen Querstrom, d. h. einem Strom in der q-Achse des 2-phasigen, auf die Rotorseite bezogenen d-q-Koordinatensystems, betrieben werden, wobei sich das für die jeweilige Stromamplitude maximal mögliche Drehmoment einstellt. Dieser maschinenseitig optimale Betriebspunkt fällt in die untererregte Betriebsweise. Der Generator lässt sich hierdurch mit einer optimiert kleinen Baugröße und einer hohen Leistungsdichte auslegen.
Vorgenannte "untererregte" Betriebsweise führt jedoch am Gleichrichtereingang zu einem Leistungsfaktor ungleich dem Wert 1, so dass der Gleichrichter strom- bzw. leistungsbezogen überdimensioniert, das heißt für einen größeren Phasenstrom ausgelegt werden muss.
In der Praxis wird häufig eine Kompromisslösung zwischen maximalem Drehmoment und bestmöglichem Leistungsfaktor cosφ_s, das heißt einem Leistungsfaktor cosφ_s nahe dem Wert 1 angestrebt und in Konsequenz sowohl die Synchronmaschine bzw. -generator als auch der Gleichrichter leistungsbezogen überdimensioniert. Ein Betriebs- oder Arbeitspunkt der dem angestrebten Kompromiß gerecht wird, stellt sich beispielsweise bei einem dem halben Polradwinkel θ/2 entsprechenden Phasenwinkel φ_s ein, was gleichbedeutend damit ist, dass Stator- oder Klemmenspannung U_s und Polrad- oder Läuferspannung U_p einander gleich sind.
Der drehzahlvariable Betrieb wird hierbei ermöglicht, indem die Frequenz des in den Generator eingeprägten Ständerstromes passend zur gewünschten mechanischen Generatordrehzahl eingestellt wird.
Im Gegensatz dazu sind bei Verwendung eines ungesteuerten Gleichrichters, wie beispielsweise einer Diodenbrücke, Amplitude und Phase des Ständerstroms nicht direkt frei wähl- bzw. vorgebbar. Vielmehr stellt sich bei einer Diodenbrücke, die auf einen Gleichspannungszwischenkreis gleichrichtet, d. h. auf das generatorseitige Dreiphasensystem Spannungen einprägt, ein systemabhängiger, bezüglich des eingesetzten Synchrongenerators jedoch keineswegs optimaler Leistungsfaktor im Bereich von cosφ_s = 0,9 bis 1 (kapazitiv) ein. Ursächlich ist dies auf die, zur Bereitstellung der Kommutierungsblindleistung der eingesetzten Dioden erforderliche, übererregte Betriebsweise des Generators zurückzuführen. Diese kapazitive Betriebsweise hat zur Folge, dass bei größeren Polradwinkeln θ die Klemmenspannung U_s stärker sinkt als der Ständerstrom I_s sich erhöht, so dass die maximale Leistung des Generators nicht erst bei einem Polradwinkel θ von 90°, sondern bereits deutlich früher erreicht wird (Fig. 3 und Fig. 4).
Erläuternd sei hier festgestellt, dass der Ständerstrom I_s bei übererregtem Betrieb ein elektrisches Feld erzeugt, welches das Polradfeld des Generators schwächt und auf diese Weise einen Abfall der Klemmenspannung U_s bewirkt.
Das Leistungsvermögen bzw. die Leistungsdichte eines Generators mit gesteuertem, aktivem Gleichrichter ist gegenüber einem Generator mit ungesteuertem Gleichrichter deutlich erhöht.
Um dementsprechend, auch bei Verwendung ungesteuerter Gleichrichter, die gewünschte bzw. angestrebte Generatorleistung zu erzielen, ist entweder der Synchrongenerator leistungsbezogen entsprechend zu überdimensionieren oder die Erregung entsprechend zu erhöhen, respektive das Erregerfeld zu verstärken, was jedoch bei permanentmagneterregten Synchrongeneratoren nicht möglich ist.
Es sei weiterhin hinzuzufügen, dass mit einem ungesteuerten Gleichrichter keine elektrische Leistung an den Generatorklemmen geregelt werden kann. Dies kann nur indirekt geschehen, indem die Höhe der Zwischenkreisspannung verstellt wird. Demzufolge ist die Drehzahl des Generators nicht oder nur indirekt einstellbar.

Nachteile des Standes der Technik

Die für einen aktiven, gesteuerten Gleichrichter zu berücksichtigenden technischen Erfordernisse, wie beispielsweise Schaltungsaufbau, Regelung, Hilfsversorgung, Dimensionierung und Betriebsart des gesteuerten Gleichrichters sind wesentlich komplexer als bei einem vergleichbaren ungesteuerten Gleichrichter. Prinzipbedingt ergeben sich dadurch höhere Investitionskosten, der Hauptnachteil eines gesteuerten Gleichrichters. Im Vergleich zu einem ungesteuerten Gleichrichter gleicher Leistung sind diese Kosten nicht nur erheblich größer, sondern sogar um ganze Größenordnungen verschieden.
Weiterhin beeinflusst die Komplexität in negativer Weise die Fehleranfälligkeit bzw. -häufigkeit des aktiven, gesteuerten Gleichrichters und führen demzufolge auch zu einer Erhöhung der Instandhaltungskosten der gesamten Anlage.
Insbesondere die mangelnde Zuverlässigkeit aktiver Gleichrichter, basierend auf aktiv ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleitern, wie beispielsweise IGBT's, IGCT's und GTO's, gereicht ihnen hier zum Nachteil und ist im Hinblick auf den erreichbaren Nutzungsgrad und die mit ihm eng verknüpfte Wirtschaftlichkeit von Wind- und/oder Gezeitenkraftanlagen von grundlegender Bedeutung.
Ein Gesichtspunkt, der hinsichtlich eines möglichen Einsatzes im Offshore-Bereich noch an Bedeutung zunimmt, da sich dort, bedingt durch widrige äußere Umstände, insbesondere Witterungseinflüsse, vorzunehmende Wartungs- und Reparaturarbeiten oftmals sehr aufwendig gestalten und nicht zu beliebigen Zeiten durchführbar sind. Aufgrund der erschwerten Bedingungen und der erhöhten Materialbeanspruchung auf See sind hier vergleichsweise große finanzielle Aufwendungen notwendig.
Der Betrieb ungesteuerter Gleichrichter bedingt eine ungünstige, leistungsbezogen überdimensionierte Auslegung des Generators was zu einem vergleichsweise großem Generatorvolumen und -gewicht führt und demgemäss einen erhöhten Kostenaufwand verursacht. Die betrifft sowohl die Generator- als auch die Installationskosten der gesamten Kraftanlage, da beispielsweise bei einer Windkraftanlage sowohl der den Generator tragende Turm als auch dessen zugehöriges Fundament mit entsprechender Tragkraft und Stabilität ausgeführt sein müssen. Weiterhin werden unerwünscht große Stromoberschwingungen verursacht, die sich in Form von Zusatzverlusten durch Stromharmonische und Verzerrungsblindleistungen ungünstig auf den Betrieb auswirken, wodurch der Wirkungsgrad der gesamten Kraftanlage nachhaltig vermindert wird.
Eine bekannte Möglichkeit die Überdimensionierung eines Generators zu umgehen bzw. zu vermeiden stellt die Verwendung von Kondensatoren dar, die entweder elektrisch parallel oder elektrisch in Serie bzw. Reihe zu den einzelnen Phasen des Generators geschaltet werden. In beiden Fällen wird die für die Diodenbrücke benötigte kapazitive Blindleistung durch die Kondensatoren bereitgestellt. Nachteile ergeben sich hierbei in Form prinzipbedingter Resonanzen, die zwischen den Kondensatoren und den Induktivitäten der Leitungen bzw. des Generators auftreten. Aufgrund der erhöhten Komplexität der Anordnung sinkt die Zuverlässigkeit der Anlage und die Investitionskosten erhöhen sich. Des weiteren sind bei vorgenannten Anordnungen in Stör- bzw. Fehlerfällen, d. h. bei plötzlichem Lastabwurf, Überspannungen aufgrund der in den Kondensatoren kapazitiv gespeicherten Energie zu erwarten.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mehrfachen Gleichrichterspeisung eines Synchrongenerators mit Gleichspannungszwischenkreis einer Kraftanlage, insbesondere einer Windkraftanlage, anzugeben. Dabei soll vor allem ermöglicht werden, dass die Anlage mit variabler Drehzahl betrieben werden kann, dabei günstiger in den Herstellungskosten im Vergleich zu bisher bestehenden konventionellen Anlagen ist, sowie eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb aufweist.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Dabei werden in der Erfindung die Vorteile eines ungesteuerten Gleichrichters, beispielsweise einer 6-, 12,- 18- oder 24-pulsigen Diodenbrücke, (zuverlässig, günstig) und des gesteuerten Gleichrichters (optimale Energieausbeute, kleiner, günstiger Generator) durch ein neues Generator-Gleichrichterkonzept vereint. Der Synchrongenerator muss hierfür mehrere, beispielweise zwei getrennte Wechsel- oder Drehstromsysteme, folgend Wicklungssysteme genannt, besitzen, von denen an mindestens eine jeweils ein ungesteuerter und an mindestens eine andere ein gesteuerter Gleichrichter angeschlossen ist. Diese Wicklungssysteme werden bevorzugt dreisträngig, d. h. dreiphasig ausgeführt, können jedoch auch eine andere Strang- bzw. Phasenzahl besitzen. In den Nuten des Synchrongenerators liegen somit jeweils Windungen der Wicklungen, die an den ungesteuerten Gleichrichter angeschlossen sind, sowie Windungen der Wicklungen, die vom gesteuerten, aktiven Gleichrichter gespeist werden.

Der gesteuerte sowie der ungesteuerte Gleichrichter können gleichspannungsseitig parallel geschaltet werden und speisen demzufolge auf den selben Gleichspannungszwischenkreis ein. Dabei ist es auch möglich, die Ausgangsgleichspannung des gesteuerten Gleichrichters mit Hilfe eines Hochsetzstellers anzuheben, um dann auf den Gleichspannungszwischenkreis einzuspeisen. Damit können für den gesteuerten Gleichrichter Leistungshalbleiter mit einer niedrigeren Sperrspannung verwendet werden, was Kosten reduziert. Prinzipiell ist es auch denkbar, den gesteuerten sowie den ungesteuerten Gleichrichter auf unterschiedliche Gleichspannungszwischenkreise mit verschieden hohen Spannungshöhen einspeisen zu lassen. Die Gleichspannungszwischenkreise können dann entweder mit einem Hoch/Tiefsetzsteller zusammengeführt werden, oder aber über unterschiedliche Wechselrichter in das Drehstromnetz einspeisen. Wird der gesteuerte Gleichrichter an eine Kondensatorbatterie als Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, so erhält man eine gesonderte Lösung. Diese unterscheidet sich von den vorher genannten insofern, dass über die Kondensatorbatterie keine Wirkleistung übertragen werden kann. Damit wird die Funktionalität des Systems (wie sie folgend erläutert wird) eingeschränkt, man gewinnt aber in der Wahl der Spannungshöhe des Gleichspannungszwischenkreises einen zusätzlichen Freiheitsgrad und spart sich dabei einen zusätzlichen Wechselrichter und/oder Hoch/Tiefsetzsteller.

Dadurch, dass die Wicklungssysteme induktiv gekoppelt sind, ist es nun möglich, den Strom in der einen Wicklung mit Hilfe des Stromes in der anderen sowohl in seiner Phasenlage, als auch in seiner Amplitude, zu beeinflussen. Dies bedeutet, dass mit Hilfe des gesteuerten Gleichrichters auch der Strom in der Wicklung des ungesteuerten Gleichrichters zu einem gewissen Grad geregelt werden kann.

Die Wirkleistungsübertragung der Anlage wird hauptsächlich vom ungesteuerten Gleichrichter übernommen, damit der gesteuerte Gleichrichter in seiner Leistung klein dimensioniert und damit kostengünstig wird.

Der gesteuerte, aktive Gleichrichter kann in dem hier vorgestellten System folgende Aufgaben erfüllen:

- Drehzahlregelung
- Leistungsübertragung der WKA bei niedriger Drehzahl und kleiner Leistung (nicht bei Kondensatorbatterie als Gleichspannungszwischenkreis)
- Leistungsregelung des ungesteuerten Gleichrichters (z. B. Diodenbrücke) durch die induktive Kopplung der Wicklungssysteme
- Stark übererregter Betrieb des Generators durch den ungesteuerten Gleichrichter vermeiden
- Kompensierung von Harmonischen (Oberschwingungen) im Generatormoment, die durch den ungesteuerten Gleichrichter verursacht werden.
- Lückbetrieb des ungesteuerten Gleichrichters (z. B. Diodenbrücke) vermeiden

Bei der Auslegung des Synchrongenerators müssen folgende Überlegungen angestellt werden. Zur Verdeutlichung wird als Beispiel ein Generator gewählt, der zwei getrennte dreiphasige Wicklungssysteme besitzt. Dabei soll das eine Wicklungssystem an einen ungesteuerten Gleichrichter (z. B. Dioden B6-Brücke) und das andere Wicklungssystem an einen gesteuerten Gleichrichter (z. B. IGBT Gleichrichter) angeschlossen werden. Die Wahl der Windungszahlen der zwei Wicklungssysteme beeinflusst in großem Maße die Funktionsweise der Erfindung. Neben der Windungszahl ist es des weiteren von Bedeutung, in welcher Konfiguration die Phasen der Wicklungssysteme verschaltet werden. So besteht z. B. bei dreisträngigen (dreiphasigen) Wicklungen die Möglichkeit einer Stern- oder Dreieckschaltung. Beeinflusst hiervon wird vor allem die Größe des Stromes, der durch die Wicklungen sowie durch die Leistungshalbleiter der Gleichrichter fließt.

Es sei noch mal darauf hingewiesen, dass die Wicklung, die an die Diodenbrücke angeschlossen ist, prinzipbedingt erst einen Strom führen kann, wenn die von dem Generator erzeugte verkettete (d. h. Phase zu Phase) Rotationsspannung (auch Polradspannung genannt) U_p größer als die Zwischenkreisspannung U_DC ist. Sinnvollerweise sollte daher bei der Generatorauslegung die Windungszahl der an die Diodenbrücke angeschlossene Wicklung so ausgelegt werden, dass die Wicklung vor Erreichen der Nenndrehzahl anfangen kann, Strom zu führen.

Für dieses Konzept ergeben sich nun drei verschiedene Betriebsweisen, welche hier aufgezeigt werden. Für den Sonderfall, dass der gesteuerte Gleichrichter an eine Kondensatorbatterie angeschlossen und dementsprechend keine Wirkleistung übertragen kann, ist die unten aufgeführte Betriebsweise 1 nicht möglich.

Betriebsweise 1

Im Bereich kleiner Drehzahlen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass in der an den ungesteuerten Gleichrichter angeschlossenen Wicklung noch kein Strom fließt, erfolgt die Leistungsübertragung ausschließlich über den gesteuerten Gleichrichter und die daran angeschlossene Wicklung. In diesem Arbeitsbereich werden die Ströme möglichst sinusförmig eingeprägt, was zu einem nahezu konstanten Moment im Generator führt. Dies ist unter anderem vorteilhaft, da somit durch Stromoberschwingungen verursachte Verluste reduziert werden.

Betriebsweise 2

Ab einer bestimmten Drehzahl ist die induzierte Spannung in der Wicklung des ungesteuerten Gleichrichters größer als die Gleichspannung des Zwischenkreises, so dass dieser zu leiten beginnt. Um das Prinzip der Erfindung besser darzustellen, wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die Zwischenkreisspannung eine mehr oder weniger feste Größe darstellt. Diese Einschränkung ist in der Realität jedoch für die Funktionsweise der Erfindung nicht ausschlaggebend.

Nun besteht die Möglichkeit, die Leistung, die der ungesteuerte Gleichrichter überträgt, zu regeln, indem durch die induktive Kopplung der Wicklungssysteme der Strom in dessen Wicklung sowohl in seiner Phasenlage, als auch in seiner Amplitude beeinflusst wird. Zur Erläuterung kann man diesen Effekt in etwa damit vergleichen, dass bei fester Generatorklemmenspannung das Erregerfeld mit Hilfe der Wicklung des gesteuerten, aktiven Gleichrichters geschwächt oder verstärkt wird.

Die Regelung kann nach folgendem Prinzip funktionieren. Prägt der gesteuerte Gleichrichter einen positiven d-Strom in die daran angeschlossene Wicklung ein, so verringert sich der übererregte Betrieb der Wicklung, die an die Diodenbrücke angeschlossen ist. Dadurch kann die Leistungsübertragung über die Diodenbrücke auf die Gleichspannungssammelschiene geregelt werden. Der q-Strom in der Wicklung, die an die Diodenbrücke angeschlossen ist, erzeugt wiederum durch die induktive Kopplung einen magnetischen Fluss Ψ_q in der Wicklung des gesteuerten Gleichrichters. Der positive d-Strom in der Wicklung, welche an den gesteuerten Gleichrichter angeschlossen ist, erzeugt mit dem magnetischen Fluss Ψ_q ein motorisches Moment. Damit das Moment, dass durch diese Wicklung erzeugt wird immer generatorisch ist, muss zusätzlich ein negativer q-Strom I_q durch den gesteuerten Gleichrichter eingeprägt werden.

Der dreiphasige Strom in der Wicklung, welche an den ungesteuerten Gleichrichter angeschlossen ist, hat eine typische Form, d. h. der Stromverlauf enthält Oberschwingungen, die durch die Diodenbrückengleichrichtung entstehen. Diese Oberschwingungen spiegeln sich auch im mechanischem Moment an der Welle wider, jedoch sind sie bedingt durch ihre hohe Frequenz für das mechanische System Kraftanlage nicht unbedingt von Belang. Sollten die Oberschwingungen dennoch störend wirken, so können diese mit Hilfe des gesteuerten Gleichrichters und entsprechenden Regelungsalgorithmen teilweise oder ganz kompensiert werden.

Betriebsweise 3

Durch einen optionalen Trennschalter, der den gesteuerten Gleichrichter im Falle einer Störung vom Generator trennen kann, ist es weiterhin möglich, die Verfügbarkeit der Kraftanlage zu steigern. In solch einem Fall wird der Generator dann ausschließlich am ungesteuerten Gleichrichter betrieben. Ein drehzahlvariabler Betrieb ist wegen der festen Zwischenkreisspannung dann nicht mehr möglich. Des weiteren ist die maximale elektrische Leistung, die der Generator mit seinem verbleibenden Wicklungssystem über die Diodenbrücke abgeben kann, geringer als die Nennleistung, für die die Anlage ausgelegt wurde. Die Obergrenze hängt in erster Linie von der Wahl der Windungszahl in Verbindung mit der Zwischenkreisspannung ab. Dennoch ist diese Betriebsweise trotz verminderter Leistung von Bedeutung, da speziell bei Kraftanlagen die z. B. mit Wind angetrieben werden, zumeist im Teillastbereich operiert wird.

Vorteile der Erfindung

Die Vorteile eines Synchrongenerators in Verbindung mit einem ungesteuerten Gleichrichter, beispielsweise einer 6-, 12,- 18- oder 24-pulsigen Diodenbrücke, (zuverlässig, günstig) sowie in Verbindung mit einem gesteuerten Gleichrichter (optimale Energieausbeute, kleiner Generator) werden in der Erfindung durch ein neues Generator-Gleichrichterkonzept vereint. Dadurch kann zum einen der verwendete gesteuerte Gleichrichter klein in Bezug auf seine elektrische Leistung dimensioniert werden, zum anderen lässt sich der Synchrongenerator hierdurch mit einer optimiert kleinen Baugröße und einer hohen Leistungsdichte auslegen. Des weiteren ermöglicht ein optionaler Trennschalter, dass im Falle einer Störung, z. B. des aktiven Gleichrichters, dieser vom Generator getrennt wird, und die Anlage bei verminderter Leistung weiterbetrieben werden kann. Somit erhöht die hier aufgeführte Erfindung die Verfügbarkeit einer solchen Anlage, was im Falle einer Windkraftanlage, die in schwer zugänglichen Gebieten betrieben wird, z. B.: Offshore, zu einem höheren Energieertrag und somit einer besseren Wirtschaftlichkeit führt.

Der gesteuerte Gleichrichter kann zusätzlich zu seiner regelnden und leistungsübertragenden Funktion, das oberschwingungsbehaftete Moment des Generators glätten, falls dies notwendig erscheint.

Figuren

Fig. 1 einphasiges Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit entsprechenden Raumzeigergrößen
Fig. 2 zu Fig. 1 gehöriges Zeigerdiagramm eines Synchrongenerators mit gesteuertem Gleichrichter (untererregte Betriebsweise).
Fig. 3 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines übererregten Synchrongenerators mit Diodengleichrichter bei einem Leistungsfaktor von 0,9 und kleinem Polradwinkel (übererregte Betriebsweise).
Fig. 4 Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines übererregten Synchrongenerators mit Diodengleichrichter bei einem Leistungsfaktor von 0,9 und großem Polradwinkel (übererregte Betriebsweise).
Fig. 5 Skizze eines dreiphasigen permanenterregten Synchrongenerators mit zwei Wicklungssystemen
Fig. 6 Permanenterregter Synchrongenerator mit mehreren (hier im Beispiel zwei) getrennten Wicklungssystemen, einem ungesteuerten und gesteuerten Gleichrichter und optionalen Trennschaltern
Fig. 7 Permanenterregter Synchrongenerator mit mehreren (hier im Beispiel zwei) getrennten Wicklungssystemen, einem ungesteuerten und gesteuerten Gleichrichter mit Hochsetzsteller und optionalen Trennschaltern
Fig. 8 Permanenterregter Synchrongenerator mit mehreren (hier im Beispiel zwei) getrennten Wicklungssystemen, einem ungesteuerten Gleichrichter mit Gleichspannungszwischenkreis und einem gesteuerten Gleichrichter mit Gleichspannungszwischenkreis und optionalen Trennschaltern
Fig. 9 Permanenterregter Synchrongenerator mit mehreren (hier im Beispiel zwei) getrennten Wicklungssystemen, einem ungesteuerten Gleichrichter mit Gleichspannungszwischenkreis und einem gesteuerten Gleichrichter mit Kondensatorbatterie als Gleichspannungszwischenkreis und optionalen Trennschaltern
Es sei angemerkt, dass Raumzeigergrößen oder vektorielle Größen nachstehend durch Unterstreichung gekennzeichnet sind.
In Fig. 1 ist das vereinfachte einphasige Ersatzschaltbild eines Synchrongenerators mit der Synchronreaktanz X_d, dem zu vernachlässigenden ohmschen Widerstand R_s, der vektoriellen Polradspannung U _p, dem vektoriellen Generatorstrom I _s und der vektoriellen Klemmen- bzw. Generatorspannung Us gezeigt.
In Fig. 2 ist das Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines untererregten Synchrongenerators mit gesteuertem Gleichrichter gezeigt. Das Betriebs- und damit auch Spannungsverhalten des Generators lässt sich wie folgt beschreiben:

- Wird das antreibende Moment M der Welle des Generators erhöht, so nimmt dieser mechanische Leistung P_mech auf,
- das Polrad des Generators wird beschleunigt und ein Polradwinkel θ stellt sich ein,
- zwischen der, im Zeigerdiagramm vektoriell dargestellten, Polradspannung U _p und der Klemmen- oder Generatorspannung U _s tritt demgemäss eine Phasenverschiebung von θ auf,
- über den generatorischen Wirkstrom I _s wird elektrische Leistung vom Generator an ein entsprechendes Versorgungs- und/oder Inselnetz abgegeben und ein Gleichgewicht zwischen der zugeführten mechanischen Leistung P_mech und der vom Generator ins Netz transferierten elektrischen Leistung P_el, mit P_el = 3U_s.I_s.cosφ_s eingestellt.

Die Polradspannung U _p entspricht vom Betrag in etwa dem Betrag der Klemmenspannung U _s bzw. der Phasenwinkel cps zwischen dem Raumzeiger der Klemmenspannung U _s und dem Generatorstrom I _s entspricht ungefähr dem halben Polradwinkel θ/2.
In Fig. 3 ist das Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit ungesteuertem Diodengleichrichter bei kleinem Polradwinkel θ gezeigt, wobei der Generator zur Bereitstellung der Kommutierungsblindleistung der Dioden übererregt betrieben wird. Aufgrund der übererregten Betriebsweise des Generators ergibt sich ein Leistungsfaktor cosφ_s von ca. 0,9, was einem Phasenwinkel φ_s von ungefähr 25° entspricht. Im Zeigerdiagramm vektoriell aufgetragen ist die Klemmenspannung U _s, die Polradspannung U _p, die sich durch den Polradwinkel θ ergebende Differenzspannung jX_d I _s mit der Synchronreaktanz X_d und dem Generatorstrom I _s.
Das entsprechende Zeigerdiagramm zum Spannungsverhalten eines Synchrongenerators mit ungesteuertem Diodengleichrichter bei großem Polradwinkel θ ist in Fig. 4 gezeigt.
Aus dem Vergleich der Fig. 3 und Fig. 4 ist ersichtlich, dass bei großem Polradwinkel θ die Klemmenspannung U _s stärker abnimmt, als sich der Ständer- bzw. Generatorstrom I _s erhöht, so dass die maximale Leistung des Generators nicht erst bei einem Polradwinkel θ von 90°, sondern bereits früher erreicht wird. Der Ständerstrom I _s erzeugt hierbei ein das Polradfeld schwächendes Feld, welches für den starken Abfall der Klemmenspannung U _s verantwortlich ist.
In Fig. 5 ist ein dreiphasiger Synchrongenerator mit zwei Wicklungssystemen zu sehen. Der Stator 200 enthält das Wicklungssystem mit den drei Phasen/Strängen U, V, W (dargestellt sind jeweils die Spulenachsen 110, 111, 112 und die jeweiligen Anschlüsse), sowie ein weiteres Wicklungssystem mit den drei Phasen/Strängen R, S, T (120, 121, 122). Die Anschlüsse sind in der Figur nicht verschaltet und können wahlweise als Dreieckschaltung sowie als Sternschaltung ausgeführt werden. In diesem Beispiel ist der Rotor 100 mit einem Erregerfeld, das von Permanentmagneten bereitgestellt wird, dargestellt.
In Fig. 6 ist der prinzipielle Aufbau dieser Erfindung gezeigt. Ein Synchrongenerator 30 besitzt mindestens zwei mehrphasige (Beispielsweise dreiphasige) Wicklungssysteme 31 und 32, die in ihrer Windungszahl unterschiedlich ausgeführt sein können. Diese zwei Wicklungssysteme werden im Folgenden System A und System B genannt.
System A wird an einen gesteuerten Gleichrichter 10 angeschlossen. Dieser gesteuerte Gleichrichter 10 hat die Aufgabe, den Generator bezüglich Leistungsabgabe und somit Drehzahl zu regeln. Dabei fließt im Bereich kleiner Drehzahlen der Strom und somit die elektrische Leistung ausschließlich über System A und damit auch über den gesteuerten Gleichrichter 10, welcher an einen Gleichspannungszwischenkreis 20 angeschlossen ist.
Das System B wird an einen ungesteuerten Gleichrichter 11 angeschlossen, welcher an den gleichen Gleichspannungszwischenkreis 20 wie der gesteuerte Gleichrichter 10 angeschlossen ist. Ist die verkettete Polradspannung oder Rotationsspannung U_pB (zwischen zwei Phasen) größer als die Zwischenkreisspannung U_DC, so kann in System B ein Strom fließen, der über den ungesteuerten Gleichrichter 11 auf den Gleichspannungszwischenkreis 20 gleichgerichtet wird. Dabei kann durch die induktive Kopplung zwischen System A und B der Strom in System B durch den Strom in System A, der durch den aktiven Gleichrichter 10 geregelt wird, in Amplitude und Phasenlage beeinflusst werden.
Optional kann ein Trennschalter 50 zwischen die Anschlüsse der Wicklung von System A (32) und dem gesteuerten Gleichrichter 10 und/oder ein Trennschalter 51 zwischen dem gesteuerten Gleichrichter 10 und dem Gleichspannungszwischenkreis 20 eingebaut werden. Dies ermöglicht, dass im Falle einer Störung des gesteuerten Gleichrichters dieser vom Generator 30 und Gleichspannungszwischenkreis 20 getrennt wird. Die Kraftanlage kann dann über das System B und den ungesteuerten Gleichrichter weiterbetrieben werden.
In Fig. 7 ist mit Ausnahme des Gleichstromstellers 40 (z. B. Hochsetzsteller) das gleiche Prinzip wie in Fig. 6 dargestellt. Der Unterschied besteht darin, dass die Ausgangsspannung des gesteuerten Gleichrichters 10 durch den Gleichstromsteller 40 auf die Höhe des Gleichspannungszwischenkreises 20 angehoben wird und die Leistungshalbleiter des gesteuerten Gleichrichters 10 somit für eine niedrigere Sperrspannung gewählt werden können und der gesteuerte Gleichrichter 10 somit kostengünstiger wird.
In Fig. 8 ist das Prinzip nach Fig. 6 dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, dass der gesteuerte Gleichrichter 10 nicht unmittelbar in den selben Gleichspannungszwischenkreis 20wie der ungesteuerte Gleichrichter einspeist. Es gibt vielmehr einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis 21, an dem insbesondere bei mehreren Anlagen (z. B. in einem Windpark) die gesteuerten Gleichrichter angeschlossen sind.
In Fig. 9 ist das Prinzip nach Fig. 6 dargestellt, jedoch mit dem Unterschied, dass der gesteuerte Gleichrichter 10 an eine Kondensatorbatterie 22 angeschlossen ist und somit keine Wirkleistung übertragen kann.

Claims

1. Vorrichtung zur mehrfachen Gleichrichterspeisung eines Synchrongenerators mit Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis einer Kraftanlage, insbesondere einer Windkraftanlage, mit Turbine mit angekoppeltem Synchrongenerator, wobei der Synchrongenerator mit mehreren, mindestens zwei, getrennten d. h. elektrisch isolierten Wicklungssystemen (Wechsel- oder Drehstromwicklungen) im Stator ausgeführt ist, die wahlweise in Sternschaltung und/oder Dreieckschaltung ausgeführt werden können, und dass mindestens ein ungesteuerter Gleichrichter (z. B.: Diodenbrücke) und mindestens ein gesteuerter Gleichrichter (z. B.: IGBT, IGCT, GTO etc.) an jeweils eine Wicklung des Generators angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregung des Synchrongenerators mittels Permanentmagneten (permanenterregt) ausgeführt ist.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregung des Synchrongenerators mittels einer elektrischen Erregerwicklung (stromerregt) ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die ungesteuerte/n Gleichrichter und der gesteuerte Gleichrichter auf den selben Gleichspannungszwischenkreis einspeisen.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichstromsteller die Ausgangsgleichspannung des gesteuerten Gleichrichters auf die Höhe des Gleichspannungszwischenkreises anhebt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ungesteuerte und der gesteuerte Gleichrichter auf unterschiedliche Gleichspannungszwischenkreise einspeisen.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerte Gleichrichter an eine Kondensatorbatterie angeschlossen ist und der ungesteuerte Gleichrichter auf einen Gleichspannungszwischenkreis, der eine Wirkleistungsübertragung ermöglicht, einspeist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesteuerte Gleichrichter und das daran angeschlossene Wicklungssystem die Leistungsübertragung im Bereich kleiner Drehzahlen übernimmt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ab der Drehzahl, bei der der ungesteuerte Gleichrichter anfängt Strom zu führen, der gesteuerte Gleichrichter die Aufgabe der Regelung des Generators übernimmt. Der gesteuerte Gleichrichter dient dann vorzugsweise zur Leistungsregelung des ungesteuerten Gleichrichters, kann aber, soweit es seine Auslegung erlaubt, auch selbst Wirkleistung auf den Gleichspannungszwischenkreis einspeisen.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsregelung des ungesteuerten Gleichrichters und des daran angeschlossenen Wicklungssystems ein d-Strom (des 2-phasigen, auf die Rotorseite bezogenen d-q-Koordinatensystems) in das Wicklungssystem des gesteuerten Gleichrichters eingeprägt wird.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein q-Strom in das Wicklungssystem des gesteuerten Gleichrichters eingeprägt wird, um ein motorisches Moment, dass durch diese Wicklung verursacht werden kann, verhindert wird.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Trennschalter der gesteuerte Gleichrichter vom Generator und/oder vom Gleichspannungszwischenkreis getrennt werden kann, damit im Störungsfall des gesteuerten Gleichrichters die Kraftanlage weiter in Betrieb bleiben kann.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Oberschwingungsmomente, verursacht durch die ungesteuerte Gleichrichtung des einen Wicklungssystems, mit Hilfe eines entsprechenden Regelungsalgorithmus werden können.