DE19624809A1 - Aktives Filter und Verfahren zur Kompensation von Leistungsschwankungen in einem Drehstromnetz - Google Patents
Aktives Filter und Verfahren zur Kompensation von Leistungsschwankungen in einem DrehstromnetzInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein aktives Filter zur Kompensation
von schnell wechselnden Leistungsschwankungen in einem von
einem Hauptgenerator gespeisten Drehstromnetz, insbesondere
von Windenergieanlagen.
Bei Windenergieanlagen werden üblicherweise durch Windböen
und sogenannte Turmschatteneffekte Strom oder Leistungs
schwankungen produziert, die wiederum unerwünschte Flicker
erscheinungen, nämlich schnelle Spannungsänderungen im
Stromnetz, herbeiführen. Sowohl Wirkströme bzw. Wirklei
stungen, als auch Blindströme bzw. Blindleistungen, verur
sachen Spannungsabfälle an den Netzimpedanzen und unter
stützen damit diesen Flickereffekt. Nur Windenergieanlagen,
die mit einer variablen und durch Regelung schnell verän
derbaren Betriebsdrehzahl arbeiten, sind in der Lage, die
Flickererscheinungen zumindest weitgehend zu vermeiden. So
sind Windenergieanlagen bekannt, bei denen bei einem er
höhten Leistungsangebot aus dem Wind, z. B. verursacht
durch Sturmböen, die überschüssige Leistung durch eine
kurzzeitig erhöhte Drehzahl der kompletten Anlage als kine
tische Energie dynamisch zwischengespeichert und zu einem
späteren Zeitpunkt, beispielsweise, wenn das Leistungsange
bot des Windes unterhalb der momentanen elektrischen Lei
stung liegt, verwertet wird. Nachteilig bei diesen Wind
energieanlagen ist, daß die Generatoren zur Speicherung der
kinetischen Energie Schwungmassen benötigen, die das Ge
wicht des in der Turmspitze der Windenergieanlage dem Pro
peller benachbarten Hauptgenerators unerwünscht erhöhen,
was zu mechanischen Belastungen führt.
Alle anderen Windkraftanlagen, die mit fester Drehzahl oder
mit festen Drehzahlstufen arbeiten, weisen systembedingt
Flickererscheinungen auf.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein akti
ves Filter zur Kompensation von schnell wechselnden Lei
stungsschwankungen zu entwickeln, das auf Hauptgenerator
schwungmassen zur Speicherung von kinetischer Energie
verzichten kann und das auch für Hauptgeneratoren von
Windenergieanlagen mit fester Drehzahl oder mit festen
Drehzahlstufen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
elektrische Maschine mit einem Rotor als Energiespeicher
über eine Steuereinrichtung mit dem Drehstromnetz verbind
bar ist, und daß die elektrische Maschine zwischen dem No
torbetrieb und dem Hauptgeneratorbetrieb in Abhängigkeit
von den Leistungsschwankungen umsteuerbar ist.
Das aktive Filter hat den Vorteil, daß auf eine spezielle
Schwungmasse zur Speicherung der kinetischen Energie des
das Drehstromnetz speisenden Hauptgenerators verzichtet
werden kann. Die elektrische Maschine des aktiven Filters
ist mechanisch mit dem Hauptgenerator nicht verbunden und
kann daher von dem Hauptgenerator räumlich getrennt ange
ordnet werden. Das aktive Filter arbeitet im Gegensatz zu
mechanischen Bremseinrichtungen oder elektrisch gesteuerten
Bremswiderständen am Hauptgenerator praktisch verlustfrei
und ermöglicht einen höheren Energieertrag der Gesamtan
lage. Ein weiterer Vorteil ist die einfache, auch nachträg
lich mögliche Integration in bestehende Windenergieanlagen,
da lediglich eine Verbindung der elektrischen Leistungs-
und Signalleitungen notwendig ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird
als elektrische Maschine eine Käfigläuferasynchronmaschine
verwendet, die im drehzahlvariablen Betrieb in einer Dreh
richtung motorisch und generatorisch arbeitet. Die Steuer
einrichtung weist als elektrisches Stellglied einen Fre
quenzumrichter auf, dessen selbstgeführter Wechselrichter
an seinem Ausgang die Asynchronmaschine elektrisch mit va
riabler Frequenz und Spannung und Phasenlage ansteuert. Der
Eingang des Wechselrichters ist an einem Gleichspannungs
zwischenkreis angeschlossen, über den die jeweils notwen
dige Wirkleistung bereitgestellt bzw. aufgenommen wird. Der
Wechselrichter ist über den Gleichspannungszwischenkreis
mit dem Ausgang eines gesteuerten Gleichrichters verbunden,
der mit seinem Eingang an das Drehstromnetz angeschlossen
ist. Der Gleichrichter wird derart gesteuert, daß entspre
chend dem Bedarf an Wirkleistung auf der Gleichspannungs
zwischenkreisseite dem Drehstromnetz Wirkleistung entnommen
oder zugeführt wird. Zusätzlich kann der Gleichrichter
Blindleistung in Form von Grundwellenblindleistung und
Oberschwingungsblindleistung auf der Drehstromnetzseite er
zeugen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der
Wechselrichter aus sechs elektronischen Schaltern und einem
Zwischenkreiskondensator. Der gesteuerte Gleichrichter be
steht aus sechs elektronischen Schaltern, einem Zwischen
kreiskondensator und einer Induktivität. Als elektronischer
Schalter dient jeweils eine Antiparallelschaltung von Frei
laufdioden und einem abschaltbaren Halbleiterschalter, bei
spielsweise Bipolartransistor, IGBT, MCT, zwangskommu
tierten Thyristorschaltungen als abschaltbare Bauelemente.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Kompen
sation von Leistungsschwankungen durch schnell veränderli
che Leistungsanteile in einem Drehstromnetz von Windener
gieanlagen.
Nur die bekannten Windenergieanlagen, die mit einer vari
ablen und durch Regelung schnell veränderbaren Betriebs
drehzahl arbeiten, sind in der Lage, die Leistungsschwan
kungen bzw. unerwünschten Flickererscheinungen weitgehend
zu vermeiden. Bei diesem Verfahren wird die überschüssige
Leistung durch eine kurzzeitig erhöhte Drehzahl der kom
pletten Anlage als kinetische Energie zwischengespeichert
und durch Verringerung der Drehzahl der kompletten Anlage
verwertet. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß es auf
wendig und kostenintensiv ist. Für Windkraftanlagen mit fe
ster Drehzahl oder mit festen Drehzahlstufen ist das be
kannte Verfahren zudem nicht anwendbar.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren
zu finden, das gegenüber dem bekannten Verfahren einen bes
seren Wirkungsgrad aufweist, durch weniger Aufwand kosten
günstiger ist und auch auf Windenergieanlagen mit fester
Drehzahl bzw. festen Drehzahlstufen anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
aktives Filter, das neben einer Steuereinrichtung eine
elektrische Maschine zur elektromechanischen Energiespei
cherung aufweist, durch mechanisch vom Hauptgenerator
unabhängige Energieaufnahme von dem Drehstrommotor und
Energieabgabe in das Drehstromnetz die Leistungsschwankun
gen kompensiert. Durch die mechanisch vom Hauptgenerator
unabhängige Energieaufnahme und Energieabgabe des aktiven
Filters kann die Nennleistung des Filters entsprechend den
Erfordernissen wesentlich kleiner als die Leistung der
Windkraftanlage gewählt werden. Der Drehzahlbereich der
elektrischen Maschine kann unabhängig und frei gewählt wer
den.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die
elektrische Maschine im Feldschwächbereich betrieben, d. h.,
die Energieaufnahme zwischen einer maximalen Drehzahl und
einer minimalen Drehzahl der elektrischen Maschine ent
spricht etwa der Energieabgabe zwischen der maximalen Dreh
zahl und einer bei Beginn des Feldschwächbereichs der elek
trischen Maschine liegenden Minimaldrehzahl. Der Betrieb im
Feldschwächbereich hat den Vorteil, daß stets über maximale
und konstante Leistung der elektrischen Maschine verfügt
werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefüg
ten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild eines aktiven Filters,
Fig. 2 eine Schaltung des aktiven Filters von Fig. 1 in
detaillierter Darstellung,
Fig. 3 ein Funktionsbild einer Windenergieanlage mit ak
tivem Filter,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Windenergieanlage ohne
Frequenzumrichter in Kombination mit aktivem Fil
ter mit Drehstromanschluß,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Windenergieanlage mit
Frequenzumrichter in Kombination mit einem akti
ven Filter mit Drehstromanschluß und
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Windenergieanlage mit
Frequenzumrichter in Kombination mit einem akti
ven Filter mit Gleichspannungsanschluß.
Ein aktives Filter (1) besteht im wesentlichen aus einer elek
trischen Maschine (2) mit einem Rotor als Energiespeicher und
einem Stellglied (3) einer im einzelnen nicht dargestellten
Steuereinrichtung. Die elektrische Maschine (2) kann durch Er
höhung ihrer Drehzahl im Motorbetrieb elektrische Energie auf
nehmen und durch Verminderung ihrer Drehzahl im Hauptgene
ratorbetrieb elektrische Energie abgeben. Die speicherbare
kinetische Energie ist dem Trägheitsmoment des Rotors und dem
Quadrat der Drehzahl proportional. Zur Erzielung einer hohen
maximalen Energie erfolgt die mechanische Ausführung entspre
chend. Die kinetische Energie kann durch ein zusätzlich ange
ordnetes Schwungrad mit dem Trägheitsmoment J (4) weiter
erhöht werden. Die elektrische Maschine (2) ist vorzugsweise
als Käfigläuferasynchronmaschine ausgebildet, die im dreh
zahlvariablen Betrieb in einer Drehrichtung motorisch und
generatorisch arbeitet. Die Asynchronmaschine wird elektrisch
mit einem Drehspannungssystem mit variabler Frequenz und
Spannung und Phasenlage angesteuert. Das Stellglied (3) ist
als Frequenzumrichter (5) ausgebildet, der aus einem selbst
geführten Wechselrichter WR2 (6), einem Zwischenkreis (7) und
einem gesteuerten Gleichrichter GR2 (8) besteht. Das Dreh
spannungssystem der Asynchronmaschine wird vom Ausgang des
selbstgeführten Wechselrichters WR2 (6) bereitgestellt. Der
Eingang des Wechselrichters WR2 (6) ist an den als Gleich
spannungszwischenkreis (9) ausgebildeten Zwischenkreis (7)
angeschlossen, über den die jeweils notwendige Wirkleistung
bereitgestellt bzw. aufgenommen wird. Der Wechselrichter WR2
(6) ist aus sechs elektronischen Schaltern (10) und einem
Zwischenkreiskondensator (11) aufgebaut. Als elektronischer
Schalter (10) dient jeweils eine ANTI-Parallelschaltung von
Freilaufdioden und abschaltbaren Bauelementen, wie z. B.
zwangskommutierte Thyristorschaltungen, Leistungstransistoren,
IGBT′s, GTO′s, MCT′s oder zukünftige Bauelemente. Der Wechsel
richter WR2 (6) kann die für die Erregung der elektrischen Ma
schine (2) notwendige Blindleistung erzeugen.
Die Wirkleistungsaufnahme - bzw. Abgabe des Zwischenkreises -
kann entweder direkt über Klemmen (12) oder über den gesteuer
ten Gleichrichter GR2 (8) erfolgen. Der gesteuerte Gleichrich
ter GR2 (8) ist mit seinem Eingang an das Drehstromnetz (13)
angeschlossen. Der gesteuerte Gleichrichter GR2 (8) besteht
aus sechs elektronischen Schaltern (14), einem Zwischenkreis
kondensator (15) und einer Induktivität (16 ). Als elektroni
scher Schalter (14) dient eine ANTI-Parallelschaltung von
Freilaufdioden und abschaltbaren Bauelementen, wie z. B.
zwangskommutierte Thyristorschaltungen, Leistungstransistoren,
IGBT′s, GTO′s, MCT′s oder zukünftige Bauelemente. Der Gleich
richter GR2 (8) wird so angesteuert, daß mit Begrenzung durch
die maximale Schaltfrequenz und die Auslegung der Induktivität
(16) beliebige Stromkurvenformen an der Netzseite erzeugt wer
den können. Der Gleichrichter GR2 (8) wird derart gesteuert,
daß entsprechend dem Bedarf an Wirkleistung auf der Zwischen
kreisseite dem Drehstromnetz (13) Wirkleistung entnommen oder
zugeführt wird. Zusätzlich kann der Gleichrichter GR2 (8)
Blindleistung in Form von Grundwellenblindleistung und Ober
schwingungsblindleistung auf der Drehstromnetzseite erzeugen.
Die Betriebsführung des aktiven Filters (1) erfolgt so, daß
die von der Windenergieanlage (18, 33) erzeugten schnellen
Leistungs- bzw. Stromänderungen durch entsprechend entgegenge
setzte Leistungs- bzw. Stromänderungen des aktiven Filters (1)
kompensiert werden, so daß der entsprechende Gesamtstrom frei
von schnellen Leistungsänderungen wird und damit sogenannte
Flickererscheinungen im Drehstromnetz (13) vermieden oder zu
mindest stark reduziert werden. Bei Benutzung des Gleichspan
nungsanschlusses über die Klemmen (12) kann das aktive Filter
(1) Wirkleistungsschwankungen ausgleichen. Bei Benutzung des
Drehstromanschlusses (17) können zusätzlich Blindleistungs
schwankungen ausgeglichen werden.
Grundsätzlich sind unterschiedliche Kombinationen von elektri
scher Maschine (2) und Leistungsstellglied (3) möglich. So
kann eine Gleichstrommaschine mit einem Vierquadranten-Thyri
storsteller, ein Stromrichtermotor, bestehend aus Synchronma
schine und Vierquadranten-Thyristorsteller, eine Asynchronma
schine mit einem Vierquadranten-Stromzwischenkreisumrichter
oder eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine mit einem Vier
quadranten-Stromzwischenkreisumrichter kombiniert werden.
Diese Varianten stellen bezüglich des Stellgliedes (3) preis
werte Varianten dar, da in den meisten Fällen Thyristoren mit
natürlicher Kommutierung eingesetzt werden können. Diese Vari
anten können allerdings einen Oberschwingungsgehalt und Blind
leistungsanteil der erzeugten Netzströme aufweisen, der in ei
nigen Fällen unerwünscht ist. Günstiger sind in dieser Bezie
hung Kombinationen entweder einer Asynchronmaschine mit einem
Vierquadranten-Spannungszwischenkreisumrichter oder eine dop
pelt gespeiste Asynchronmaschine mit einem Vier
quadranten-Spannungszwischenkreisumrichter, da diese beiden Varianten mit
geregelten sinusförmigen Netzströmen arbeiten können. Für die
Asynchronmaschine mit Vierquadranten-Spannungszwischenkrei
sumrichter kann vorteilhaft die Käfigläuferasynchronmaschine
eingesetzt werden, die wegen des robusten Rotorbaues hohe
Drehzahlen erlaubt. Die aus einer doppelt gespeisten Asyn
chronmaschine mit Vierquadranten-Spannungszwischenkreisumrich
ter bestehende Variante erlaubt prinzipbedingt eine Verkleine
rung der Umrichterbauleistung um den Faktor 2 oder mehr und
damit eine Verminderung der Kosten des Stellgliedes.
Die elektrische Maschine (2) des aktiven Filters (1) wird im
Feldschwächbereich betrieben, wenn ein Asynchronmotor mit Kä
figläufer eingesetzt wird. In diesem Bereich bleiben Spannung
und Leistung in erster Näherung konstant und Frequenz und Er
regung der elektrischen Maschine (2) werden entsprechend der
Drehzahl verändert. In dem Feldschwächbereich ist daher stets
die maximale und konstante Leistung verfügbar. Bei Feld
schwächbetrieb wird die Leerlaufdrehzahl der elektrischen Ma
schine (2) so gewählt, daß eine gleich hohe Energieaufnahme
bis zur Maximaldrehzahl und eine gleich hohe Energieabgabe bis
zur Minimaldrehzahl, bei der der Feldschwächbereich beginnt,
möglich ist. Bei der aus einer Asynchronmaschine mit Vierqua
dranten-Spannungszwischenkreisumrichter bestehenden Variante
ist die elektrische Maschine (2) durch den Spannungszwischen
kreisumrichter vom speisenden 50 Hz- bzw. 60 Hz-Stromnetz
entkoppelt, so daß beliebige Drehzahlauslegungen möglich sind.
Als Regelsignal wird der Momentanwert der Leistung P (t) bzw.
des Stromistwertes i (t) einer Windenergieanlage (18) genutzt.
Aus diesem Meßwert (19) kann das aktive Filter (1) den ent
sprechenden schnell veränderlichen Anteil (20) ermitteln und
diesen Wert als negierten Sollwert für den zu erzeugenden Kom
pensationsstrom bzw. die entsprechende Kompensationsleistung
Pac2 (30) benutzen.
Eine Windenergieanlage (18) ohne Frequenzumrichter besteht im
wesentlichen aus einem Propeller (22), einem Getriebe (23) und
einem elektrischen Hauptgenerator GEN (25), dem die mechani
sche Leistung Pmech (24) über das Getriebe (23) zugeführt
wird. Das Getriebe (23) dient zur Anpassung der sehr niedrigen
Propellerdrehzahl an den Drehzahlbereich üblicher 4-, 6- oder
8-poliger Hauptgeneratoren (25). Es gibt allerdings auch
Sondergeneratoren mit hoher Polpaarzahl und niedriger Dreh
zahl, die ohne Getriebe (23) eingesetzt werden.
Durch Schwankungen in der Windgeschwindigkeit und sogenannte
Turmschatteneffekte ist die aus dem Wind entnommene Leistung
Pwind (26) nicht konstant, sondern enthält auch unerwünschte
schnell veränderliche Anteile (20). Diese führen zu entspre
chenden Schwankungen der elektrisch erzeugten Leistung Ps1
(27) des Hauptgenerators GEN (25), die als Wechselstromlei
stung Pac1 (28) an das Drehstromnetz (13) abgegeben wird. Be
dingt durch die Eigenschaften des Asynchrongenerators der Wind
energieanlage (18) bedeutet dies sowohl Schwankungen in der
Wirkleistung als auch in der Blindleistung. Die damit verbun
denen Wirkströme und Blindströme rufen aufgrund der vorhan
denen Leitungs- und Transformatorimpedanzen im Drehstromnetz
(13) unerwünschte Spannungsänderungen, die sogenannten Flicker
erscheinungen, am Einspeiseort (29) hervor. Das aktive Filter
(1) mit Drehstromanschluß (17) wird im Betriebsverhalten so
geführt, daß ein den Strömen der Windenergieanlage (33) ent
sprechend entgegengesetzter schnell veränderlicher Wirk- und
Blindstrom erzeugt wird. Die so erzeugte Wechselstromkompensa
tionsleistung Pac2 (30) kompensiert damit die für den Flik
kereffekt verantwortlichen Leistungsschwankungen (20) der
Wechselstromleistung Pac1 (28) der Windenergieanlage (18), so
daß die in das Drehstromnetz (13) eingespeiste Gesamtleistung
Pges (31) frei von schnell veränderlichen Leistungsanteilen
(20) ist, und der Flickereffekt somit vermieden wird. Der
Blindleistungsanteil wird dabei direkt vom Gleichrichter GR2
(8) erzeugt. Der Blindleistungsanteil der elektrischen Ma
schine (2) wird direkt vom Wechselrichter GR2 (6) erzeugt. Die
Wirkleistungsanteile Ps2 (21) werden von der elektrischen Ma
schine (2) erzeugt, im Wechselrichter WR (2) in Gleichstrom
leistung Pdc (32) umgeformt, im Gleichrichter GR2 (8) in Wech
selstromwirkleistung (30) umgeformt und dem Drehstromnetz (13)
zugeführt.
Eine Windenergieanlage (33) mit Frequenzumrichter enthält zu
sätzlich zur Windenergieanlage (18) ohne Frequenzumrichter
noch einen Frequenzumrichter (34), bestehend aus einem Gleich
richter GR1 (35) und einem Wechselrichter WR1 (36). Die vom
Hauptgenerator GEN (25) erzeugten Wirkleistungsschwankungen
werden vom Wechselrichter WR1 (36) in Schwankungen der
Gleichstromleistung Pdc1 (37) und dann durch den Gleichrichter
GR1 (35) in Wirkleistungsschwankungen der Wechselstromleistung
Pac1 (28) umgesetzt und dem Drehstromnetz (13) zugeführt. Die
Blindleistung des Hauptgenerators GEN (25) wird direkt vom
Wechselrichter WR1 (36) bereitgestellt.
Wenn bei der Kombination von Gleichrichter GR1 (35) und Wech
selrichter WR1 (36) ein System mit Gleichspannungszwischen
kreis (9) vorliegt und dieses System keine Blindleistungs
schwankungen erzeugt, wird der Gleichrichter GR1 (35) des
aktiven Filters (1) die Wechselstromkompensationsleistung Pac2
(30) so steuern, daß nur die Wirkleistungskomponente kompen
siert wird. Beide Gleichrichter (35, 8) können somit ohne
Blindleistungsanteile arbeiten. Wenn bei der Kombination von
Gleichrichter GR1 (35) und Wechselrichter WR1 (36) ein System
mit Stromzwischenkreis eingesetzt wird, erzeugt der Gleich
richter GR1 (35) aus der eingespeisten Gleichstromleistung
Pdc1 (37) auf der Drehstromnetzseite eine Wechselstromleistung
Pac1 (28), die sowohl Wirkanteile als auch Blindanteile in
Form von Grundwellenblindleistung und Oberschwingungsblindlei
stung enthält. In diesem Fall muß das aktive Filter (1) so ar
beiten, daß die erzeugte Wechselstromleistung Pac2 (30) Wirk-
und Blindleistungsschwankungen kompensiert und die dem Dreh
stromnetz (13) zugeführte erzeugte Gesamtleistung Pges (31)
frei von Schwankungen ist.
Eine Windenergieanlage (33) mit Frequenzumrichter und aktivem
Filter (1) mit Gleichspannungsanschluß kommt ohne den be
schriebenen Gleichrichter GR2 (8) des Filters (1) aus, da in
diesem Fall nur die Wirkleistungsschwankungen der Gleichstrom
leistung Pdc1 (37) der Windenergieanlage (33) durch eine ent
sprechend entgegengerichtete Komponente der Gleichstromlei
stung Pdc2 (32) des aktiven Filters (1) kompensiert wird. Die
gesamte Gleichstromsleistung Pdc3 (38) ist damit frei von
Wirkleistungsschwankungen. Die Gleichstromleistung Pdc3 (38)
wird vom Gleichrichter GR1 (35) der Windenergieanlage (33) in
reine Wechselstromleistung Pac3 = Pges (31) umgeformt und in
das Drehstromnetz (13) eingespeist. Der Gleichrichter GR1 (35)
muß gegenüber dem ohne Filter (1) stattfindenden Betrieb keine
größere Nennleistung aufweisen, da die mittlere Leistung Pdc3
(38) und Pac3 sich nicht erhöht. Der Spitzenwert der Gleich
stromleistung Pdc3 (38) wird durch den Einsatz des aktiven
Filters (1) sogar noch verringert.
Claims (39)
1. Aktives Filter zur Kompensation von schnell wechselnden Lei
stungsschwankungen in einem von einem Hauptgenerator gespeisten
Drehstromnetz, insbesondere von Windenergieanlagen, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine elektrische Maschine (2) mit einem Rotor
als Energiespeicher über eine Steuereinrichtung mit dem Dreh
stromnetz (13) verbindbar ist, und daß die elektrische Maschine
(2) zwischen Motorbetrieb und Hauptgeneratorbetrieb in Abhängig
keit von den Leistungsschwankungen (20) umsteuerbar ist.
2. Aktives Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im
Motorbetrieb durch Erhöhung der Drehzahl elektrische Energie durch
die elektrische Maschine (2) aufnehmbar und im Hauptgeneratorbe
trieb durch Verminderung der Drehzahl elektrische Energie abgebbar
ist.
3. Aktives Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrische Energie als Kompensationsleistung Pac2 (21) auf
nehmbar und abgebbar ist.
4. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektrische Maschine (2) ein zusätzliches
Schwungrad (4) aufweist.
5. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektrische Maschine (2) als Gleichstromma
schine ausgebildet ist.
6. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektrische Maschine (2) als Synchronma
schine ausgebildet ist.
7. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektrische Maschine (2) als Asynchronma
schine ausgebildet ist.
8. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß die elektrische Maschine (2) als doppelt gespei
ste Asynchronmaschine ausgebildet ist.
9. Aktives Filter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Asynchronmaschine als Käfigläuferasynchronmaschine ausge
bildet ist.
10. Aktives Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinrichtung als elektrisches Stellglied (3) einen Thyri
storsteller aufweist.
11. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung als elektrisches Stell
glied (3) einen Frequenzumrichter (5) aufweist.
12. Aktives Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Frequenzumrichter (5) als Stromzwischenkreisumrichter ausge
bildet ist.
13. Aktives Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
der Frequenzumrichter als Spannungszwischenkreisumrichter ausge
bildet ist.
14. Aktives Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der Frequenzumrichter (5) einen selbstgeführten Wechselrichter WR2
(6) aufweist, der mit seinem Eingang über einen Gleichspannungs
zwischenkreis an den Ausgang eines gesteuerten Gleichrichters GR2
(8) angeschlossen ist.
15. Aktives Filter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gleichrichter GR2 (8) mit seinem Eingang an das Drehstromnetz
(13) angeschlossen ist.
16. Aktives Filter nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine jeweilige Wirkleistungsaufnahme und Wirklei
stungsabgabe der elektrischen Maschine (2) direkt über einen Ein
gang des Gleichspannungszwischenkreises erfolgt.
17. Aktives Filter nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine jeweilige Wirkleistungsaufnahme und Wirklei
stungsabgabe der elektrischen Maschine (2) über den Gleichrichter
GR2 (8) erfolgt.
18. Aktives Filter nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
elektrische Energie als Blindleistung auf der Drehstromnetzseite
(13) des Gleichrichters GR2 (8) erzeugbar ist.
19. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Wechselrichter WR2 (6) mindestens sechs
elektronische Schalter (10) und mindestens einen Zwischenkreiskon
densator (11) aufweist.
20. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gleichrichter GR2 (8) mindestens sechs elek
tronische Schalter (14), mindestens einen Zwischenkreiskondensator
(15) und mindestens eine Induktivität (16) aufweist.
21. Aktives Filter nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeich
net, daß die elektronischen Schalter (10, 14) als eine Anti
parallelschaltung von Freilaufdioden und abschaltbaren Bauelemen
ten ausgebildet sind.
22. Aktives Filter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die abschaltbaren Bauelemente als Leistungstransistoren ausgebil
det sind.
23. Aktives Filter nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeich
net, daß die abschaltbaren Bauelemente als IGBT ausgebildet sind.
24. Aktives Filter nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeich
net, daß die abschaltbaren Bauelemente als MCT ausgebildet sind.
25. Aktives Filter nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeich
net, daß die abschaltbaren Bauelemente als GTO ausgebildet sind.
26. Aktives Filter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß
die abschaltbaren Bauelemente als zwangskommutierte Thyristor
schaltungen ausgebildet sind.
27. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Gleichrichter GR2 (8) so ansteuerbar ist,
daß mit Begrenzung durch die maximale Schaltfrequenz und Auslegung
der Induktivität (16) beliebige Stromkurvenformen an der Dreh
stromnetzseite (13) erzeugbar sind.
28. Aktives Filter nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch ge
kennzeichnet, daß die für die Erregung der elektrischen Maschine
(2) notwendige Blindleistung durch den Wechselrichter WR2 (6) er
zeugbar ist.
29. Verfahren zur Kompensation von Leistungsschwankungen durch
schnell veränderliche Leistungsanteile im Drehstromnetz von Wind
energieanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktives Filter
(1), das neben einer Steuereinrichtung eine elektrische Maschine
(2) zur elektromechanischen Energiespeicherung aufweist, durch me
chanisch vom Hauptgenerator (25) unabhängige Energieaufnahme und
Energieabgabe in das Drehstromnetz (13) die Leistungsschwankungen
(20) kompensiert.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektrische Maschine (2) durch Erhöhung ihrer Drehzahl Energie
aufnimmt und durch Erniedrigung ihrer Drehzahl Energie abgibt.
31. Verfahren nach Anspruch 29 oder 31, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Maschine (2) im Feldschwächbereich betrieben
wird.
32. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die
Energieaufnahme zwischen einer Maximaldrehzahl und einer Minimal
drehzahl der elektrischen Maschine (2) etwa der Energieabgabe zwi
schen der Minimaldrehzahl und einer Maximaldrehzahl entspricht.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuereinrichtung des Filters (1) aus dem Momen
tanwert der Leistung der Windenergieanlage (18, 33) den entspre
chenden schnell veränderlichen Anteil (20) ermittelt und diesen
Wert als negierten Sollwert für eine zu erzeugende Kompensations
leistung Pac2 (21) benutzt.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuereinrichtung des Filters (1) aus dem Momen
tanwert des Stromistwertes der Windenergieanlage (18, 33) den ent
sprechenden schnell veränderlichen Anteil (20) ermittelt und die
sen Wert als negierten Sollwert für den zu erzeugenden Kompensati
onsstrom benutzt.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekenn
zeichnet, daß die elektrische Maschine (2) über einen Frequenzum
richter (5) mit Spannungszwischenkreis als Stellglied (3) der
Steuereinrichtung gesteuert wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekenn
zeichnet, daß die von einem Hauptgenerator (25) der Windenergiean
lage (18) unmittelbar erzeugte Wechselstromleistung Pac1 (28)
schnell veränderliche Wirkleistungs- und Blindleistungsanteile
aufweist, die durch eine vom aktiven Filter (1) abgegebene Wech
selstromleistung Pac2 (30) kompensiert werden, so daß die Win
denergieanlage (18) zusammen mit dem aktiven Filter (1) an das
Drehstromnetz (13) eine im wesentlichen von schnell veränderlichen
Leistungsanteilen (20) freie Gesamtleistung Pges (31) abgibt.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekenn
zeichnet, daß die von einem Hauptgenerator GEN (25) der Wind
energieanlage (33) erzeugte Leistung Ps1 (27) einem Wechselrichter
WR1 (6) zugeführt und als Gleichstromleistung Pdc1 (37) einem
Gleichrichter GR1 (35) zugeführt wird, der sie als mit schnell
veränderlichen Wirk- und Blindleistungsanteilen behaftete
Wechselstromleistung Pac1 (28) an das Drehstromnetz (13) abgibt,
wobei eine vom Filter (1) abgegebene Wechselstromleistung Pac1
(28) die schnell veränderlichen Wirk- und Blindleistungsanteile
der Leistung Pac1 (28) kompensiert.
38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet,
daß die von der elektrischen Maschine (2) erzeugten Wirklei
stungsanteile von Ps2 (21) in einem Wechselrichter WR2 (6) in
Gleichstromleistung Pdc2 (32) umgeformt und in einem Gleichrichter
GR2 (8) in Wechselstromwirkleistung umgeformt und zusammen mit dem
vom Gleichrichter GR2 (8) erzeugten Blindleistungsanteil als Wech
selstromleistung Pac1 (28) abgegeben werden.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekenn
zeichnet, daß die von einem Hauptgenerator GEN (25) der Wind
energieanlage (33) erzeugte Leistung Ps1 (27) einem Wechselrichter
WR1 (6) zugeführt wird, der sie als mit schnell veränderlichen
Wirkleistungsanteilen behafteten Gleichstromleistung Pdc1 (37)
abgibt und zusammen mit einer durch Umwandlung der von der
elektrischen Maschine (2) des Filters (1) erzeugten Wirkleistungs
anteil von Ps2 (21) durch einen Wechselrichter WR2 (6) in Gleich
stromleistung Pcd2 (32) einem Gleichrichter in GR1 (35) als kom
pensierte Gleichstromleistung Pdc3 (38) zugeführt und über einen
Gleichrichter GR1 (35) als Wechselstromleistung Pac1 (28) in das
Drehstromnetz (13) eingespeist wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19624809A DE19624809A1 (de) | 1996-06-21 | 1996-06-21 | Aktives Filter und Verfahren zur Kompensation von Leistungsschwankungen in einem Drehstromnetz |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19624809A DE19624809A1 (de) | 1996-06-21 | 1996-06-21 | Aktives Filter und Verfahren zur Kompensation von Leistungsschwankungen in einem Drehstromnetz |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19624809A1 true DE19624809A1 (de) | 1998-01-02 |
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ID=7797595
Family Applications (1)
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DE19624809A Withdrawn DE19624809A1 (de) | 1996-06-21 | 1996-06-21 | Aktives Filter und Verfahren zur Kompensation von Leistungsschwankungen in einem Drehstromnetz |
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Country | Link |
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DE (1) | DE19624809A1 (de) |
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