DE69735651T2

DE69735651T2 - Regelverfahren für eine Windmühle

Info

Publication number: DE69735651T2
Application number: DE69735651T
Authority: DE
Inventors: Laurent Morel; Abdullah Mirzaian; Henri Godfroid
Original assignee: Alstom Power Conversion GmbH
Current assignee: GE Energy Power Conversion GmbH
Priority date: 1996-07-26
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: EP0821467A1; ATE242929T1; DE69722723D1; FR2751806A1; ATE322758T1; EP0821467B1; ES2200134T3; DE69735651D1; FR2751806B1; EP1302659A3; ES2261798T3; JPH1080189A; EP1302659A2; DE69722723T2; EP1302659B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine und ein Regelverfahren für eine elektrische Maschine für die Lieferung von Energie an ein Stromnetz, wenn die Maschine mit einer Windkraftanlage verbunden ist.
Die Beschreibung der Erfindung basiert auf einer elektrischen Maschine, die doppelt gespeist wird. Da diese Maschinen, die doppelt gespeist werden, eine umschaltbare Funktionsweise besitzen, bezieht sich die vorliegende Beschreibung auch auf die Lieferung von Energie an ein Stromnetz, wenn die Maschine an eine Windkraftanlage gekoppelt ist.
GB-A-2 054 975 beschreibt eine stromerzeugende elektrische Maschine, die von einer Windkraftanlage angetrieben werden kann, wobei diese Maschine einen Stator mit Statorwicklungen sowie einen Rotor mit Rotorwicklungen besitzt. Diese Maschine besitzt außerdem ein Frequenzkontrollgerät, das mit den Statorwicklungen einer zugehörigen Erregermaschine und einem Schalter verbunden ist.
Ziel der Erfindung ist es, den Anlaufvorgang der Maschine zu verbessern.
Dieses Ziel der Erfindung wird erreicht, indem eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2 vorgeschlagen wird.
Anhand der beigefügten schematischen Ansichten wird nachfolgend beispielhaft beschrieben, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann. Wenn ein Element in mehreren Figuren dargestellt ist, so wird es mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
1 zeigt eine Maschine gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine Anpassungsvorrichtung für die Maschine aus 1.
3 zeigt Variationsdiagramme für einen Rotorstrom IR und eine Rotorspannung UR dieser Maschine in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, die auf der X-Achse eingetragen ist. Sie zeigt auch die Folge der Betriebsarten dieser Maschine.
Gemäß 1 besitzt eine Maschine, die doppelt gespeist wird, im wesentlichen:

– eine Haupteinheit 1 mit einer Achse A, die einen Stator S mit Wicklungen ES und einen Rotor R mit Wicklungen ER besitzt,
– eine Statoreinheit bestehend aus einem Satz mechanischer oder statischer Schalter 4, um die Statorwicklungen kurzzuschließen oder sie über herkömmliche Schutzeinrichtungen wie Sicherungsautomaten 5 mit dem Stromnetz 8 zu verbinden.
– eine aktive Rotoreinheit, die aus einem statischen Frequenzwandler 2 besteht, der über ein Schutzorgan 6 am Ausgang mit den Rotorwicklungen und am Eingang mit dem Stromnetz 8 verbunden ist, und
– einen Transformator 7, der dazu dient, die Spannungen der Maschine und des Frequenzwandlers der Spannung des Stromnetzes anzupassen. Die Maschine soll über ihre Welle AB mit Hilfe eines eventuellen Untersetzungsgetriebes oder Übersetzungsgetriebes 9 mit einer mechanischen Last verbunden werden. Eine solche Anpassungsvorrichtung ist mit 10 dargestellt. Bei dem Stator und dem Rotor handelt es sich um einen Mehrphasenstator bzw. Mehrphasenrotor, beispielsweise einen Dreiphasenrotor und Dreiphasenstator. Selbstverständlich sind andere Konfigurationen möglich, wie beispielsweise eine Statorwicklung bestehend aus zwei Drehstromspulen, die um 30 Grad (elektrisch) versetzt sind, mit Dreieckschaltung oder Sternschaltung, und eine Rotorwicklung mit Sternschaltung oder jeder anderen Anordnung, wie beispielsweise einer Zweiphasen-Rotorwicklung.

Bei dem statischen Frequenzwandler 2 handelt es sich um einen Wechselrichter mit Spannungsquelle oder um einen Wechselrichter mit Stromquelle oder um einen Steuerumrichter, und er kann die verschiedensten Arten von Halbleitern besitzen: bipolare Transistoren oder IGBT-Transistoren [IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor] oder eine andere Art von Transistor, Thyristoren oder GTO [Gate-Turnoff]-Thyristoren, MCT [MOS controlled]-Thyristoren etc.
Die Schalter 4a und 4b der Einheit oder des Satzes 4 bestehen beispielsweise aus einem herkömmlichen Mechanismus und in diesem Fall ist es angebracht, eine Verriegelung vorzusehen, die den Kurzschluss der Statorwicklungen gleichzeitig mit deren Versorgung durch das Netz verhindert. Es kann sich dabei auch um statische Schalter handeln, die Thyristoren mit Zwangsumschaltung verwenden, oder GTO-Thyristoren oder jede andere Art von Halbleitern, die die Funktion des Schließens und Öffnens von Stromkreisen ausführen.
Die Schalter 4a und 4b werden von einer nicht gezeigten elektronischen Schaltung gesteuert, so dass sie gleichzeitig und entgegengesetzt zueinander betätigt werden können, um die Statorwicklungen kurzzuschließen oder sie mit dem Stromnetz 8 zu verbinden, wenn die Maschine eine bestimmte, vorher festgelegte Drehzahl erreicht. Diese Schalter sind vorzugsweise statisch, wenn die Maschine während ihres Betriebs häufig über diesen bestimmten, vorher festgelegten Drehzahlwert hinausgeht. Sie bestehen beispielsweise aus Thyristoren, wobei die Statorwicklungen dreiphasig sind. Ebenso wie die anderen Elemente der Maschine, sind sie in 1 im Blindschaltbild dargestellt. Es kann sich dabei auch um eine andere Art, wie beispielsweise einen Transistor handeln, der dann über eine EIN-/AUS-Schaltung betätigt wird, d.h. ganz geöffnet oder verriegelt ist, oder sie können mit einem gegenüber der Phase der Sinuswellen des Netzes oder der Haupteinheit 1 variablen Zündwinkel gesteuert werden, so dass eine Regelung der Statorspannung oder des Statorstromes möglich ist.
Die Anzahl Pole hängt von der Drehzahl der Maschine und den, in Abhängigkeit von dem Stromversorgungsnetz und der Art des verwendeten statischen Frequenzwandlers, gewählten Stator- und Rotorfrequenzen ab.
Die Werte für das Transformationsverhältnis der Maschine werden einerseits durch die Gesamtabweichung der mechanischen Drehzahl von der Synchrongeschwindigkeit und andererseits durch Spannung der Auslegung des statischen Frequenzwandlers bestimmt.
Es wird nun das Regelverfahren der Maschine mit doppelter Speisung beschrieben.
Beim Anfahren der Maschinen werden die Statorwicklungen durch den Satz oder die Einheit 4 kurzgeschlossen (Schalter 4a im nicht durchleitenden, offenen Zustand und Schalter 4b im leitenden Zustand oder Durchlasszustand). Die Rotorwicklungen werden über den Frequenzwandler 2 durch das Stromnetz 8 mit Spannung versorgt.
Diese erste Betriebsphase der Maschine wird nachfolgend Modus I genannt.
In einer zweiten Phase, nachfolgend Modus II genannt, wird der Kurzschluss der Statorwicklungen unterdrückt und die Statorwicklungen werden mit dem Stromnetz 8 verbunden. Diese Umschaltung erfolgt durch die Schalter der Einheit 4 (Schalter 4a wird in den geschlossenen Durchlasszustand oder leitenden Zustand und Schalter 4b in den offenen, nicht leitenden Zustand gebracht). Zu diesem Zweck werden diese Schalter durch eine nicht gezeigte elektronische Schaltung gesteuert, welche die Drehzahl der Maschine mit der bestimmten, vorher festgelegten Geschwindigkeit vergleicht, und die außerdem die Umschaltung während der Phasengleichheit der Statorspannungen und des Netzes zum Zwecke der Kopplung durchführen soll. Wenn es sich dabei um statische Schalter handelt, kann es sein, dass die Umschaltung nur einige Millisekunden dauert.
In einem Modus III nach der Umschaltung und der Synchronisation des Modus II wird die Frequenz des Frequenzwandlers verringert, um die Drehzahl der Maschine von der Drehzahl Nmin bis zu einer, durch die Art der Ladung definierten, Drehzahl Ntrs zu erhöhen.
Bei der Drehzahl Ntrs erfolgt der Übergang in den Modus IV. Dazu wird das interne Transformationsverhältnis der Haupteinheit der Maschine geändert oder es wird zwischen dem Netz und dem Stator oder zwischen dem Rotor und dem Frequenzwandler ein Organ ergänzt, um das Transformationsverhältnis vom Frequenzwandler aus zu ändern. Das Ziel dabei ist es, die Blindleistung des Frequenzwandlers den Rotorspannungen und dem Rotorstrom anzupassen, die dem Leistungsverbrauch der Rotorwirkleistung entsprechen.
Anschließend wird die Frequenz bis zur Nenndrehzahl der Maschine Nmax herabgesetzt. Die Drehzahl N_trs liegt also zwischen N_min und N_max. Bei dem Übergang über die Synchrongeschwindigkeit N_syn (in Abhängigkeit von der Anzahl Pole und der Netzfrequenz) wird der Rotor über Gleichstrom gespeist. In den Modi III und IV erhält der Rotor über den statischen Frequenzwandler eine Rotorfrequenz von gleich der Differenz zwischen der Netzfrequenz und der Frequenz, die der Drehzahl der Maschine entspricht.
Zwischen der Drehzahl N_min und der Drehzahl N_syn schickt der Frequenzwandler gegenüber der Drehzahl N_syn sogenannte Schlupfenergie von der Haupteinheit 1 in das Netz 8 zurück.
Bei der Drehzahl N_syn versorgt der Frequenzwandler 2 den Rotor mit Gleichstrom.
Über die Drehzahl N_syn hinaus liefert der Frequenzwandler 2 der Maschine die Leistung über den Rotor und zwar proportional zum Schlupf gegenüber der Drehzahl N_syn.
Die Anpassungvorrichtung, die das Transformationsverhältnis vom Frequenzwandler aus verändert, kann verschiedene Arten aufweisen:
entweder innerhalb der Haupteinheit:

– Wicklungen mit einer variablen Anzahl Windungen am Rotor oder Stator
– Änderung der Stern-Dreieck-Schaltung am Stator oder Rotor

– Einfügen oder Weglassen eines Autotransformators oder Spartransformators oder eines Transformators zwischen dem Rotor und dem Frequenzwandler,
– Einfügen oder Weglassen eines Autotransformators oder Spartransformators oder eines Transformators zwischen dem Stator und dem Netz.

Entsprechend 2 ist lediglich beispielhaft gezeigt, dass die Statorwicklungen ES und die Rotorwicklungen ER dreiphasig sind. Die Statorwicklungen sind gleichbleibend. Aufgrund der Anpassungsvorrichtung 10 der Maschine kann der Gruppe der Wicklungen ER des Rotors R eine erste und eine zweite Konfiguration verliehen werden, die für das Transformationsverhältnis der Maschine jeweils einen ersten und einen zweiten Wert ergibt.
Dazu besitzt jede der Phasen der Rotorwicklungen zwei identische Spulen 11 und 12. Ein Schalter 13, der über die Drehzahl der Maschine gesteuert wird, ermöglicht es dem Frequenzwandler 2 entweder die beiden Spulen in Reihe zu speisen, oder nur die Spule 11 zu speisen, wobei sich die Spule 12 dann im offenen Stromkreis befindet. Die auf diese Art und Weise durchgeführte Verdoppelung des Transformationsverhältnisses der Maschine erscheint besonders dann geeignet, wenn die Welle AB an eine Last 3 gekoppelt ist, deren Widerstandsmoment proportional zu dem Drehzahlquadrat der Maschine ist.
Weiter oben wurde beispielhaft dargestellt, dass nur eine Änderung des Transformationsverhältnisses bei der Drehzahl N_trs erfolgt. Man kann jedoch auch mehr als zwei Transformationsverhältnisse verwenden, wobei die Änderungen bei aufeinanderfolgenden Drehzahlen zwischen N_min und N_max erfolgen. Auf diese Art und Weise kann die Größe des Frequenzwandlers noch weiter reduziert werden.
Eine Variante des oben beschriebenen Verfahrens kann durchgeführt werden, indem man Stator und Rotor umkehrt. Der Stator wird dann von dem Frequenzwandler gespeist und der Rotor wird zunächst kurzgeschlossen und anschließend mit dem Netz verbunden.
Eine eventuelle Verwendung eines mechanischen Untersetzungsgetriebes oder Übersetzungsgetriebes ermöglicht es in allen Fällen, die Synchrongeschwindigkeit N_syn gegenüber der Drehzahl N_max optimal zu positionieren.

Claims

Elektrische Maschine für die Lieferung von Energie an ein Stromnetz (8), wobei diese elektrische Maschine mit einer Windkraftanlage verbunden ist, und diese Maschine folgendes besitzt: – eine Haupteinheit (1) mit einer Achse (A), die einen Stator (S) mit Wicklungen (ES) und einen Rotor (R) mit Wicklungen (ER) besitzt, – eine Statoreinheit bestehend aus einem Satz Schalter (4), um die Wicklungen (ES) des Stators (S) in einem ersten Modus (I) beim Anfahren der Maschine kurzzuschließen und um die Wicklungen (ES) des Stators (S) in einem anderen Modus mit dem Stromnetz (8) zu verbinden, und – eine Rotoreinheit, die aus einem Frequenzwandler (2) besteht, der mit den Wicklungen (ER) des Rotors (R) und mit dem Stromnetz (8) verbunden ist.
Regelverfahren für eine elektrische Maschine für die Lieferung von Energie an ein Stromnetz (8), wobei diese elektrische Maschine mit einer Windkraftanlage verbunden ist, und diese Maschine folgendes besitzt: – eine Haupteinheit (1) mit einer Achse (A), die einen Stator (S) mit Wicklungen (ES) und einen Rotor (R) mit Wicklungen (ER) besitzt, – eine Statoreinheit, die aus einem Satz Schalter (4) besteht, und – eine Rotoreinheit, die aus einem Frequenzwandler (2) besteht, der mit den Wicklungen (ER) des Rotors (R) und mit dem Stromnetz (8) verbunden ist, wobei das Verfahren aus folgendem besteht: – die Wicklungen (ES) des Stators (S) werden in einem ersten Modus (I) beim Anfahren der Maschine kurzgeschlossen und – die Wicklungen (ES) des Stators (S) werden in einem anderen Modus mit dem Stromnetz (8) verbunden.