WO2003065567A1 - Schaltungsanordnung zum einsatz bei einer windenergieanlage - Google Patents

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WO2003065567A1
WO2003065567A1 PCT/DE2003/000172 DE0300172W WO03065567A1 WO 2003065567 A1 WO2003065567 A1 WO 2003065567A1 DE 0300172 W DE0300172 W DE 0300172W WO 03065567 A1 WO03065567 A1 WO 03065567A1
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Lorenz Feddersen
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement, in particular for use in a wind power plant with variable speed, comprising a double-fed asynchronous generator, an additional resistor and a converter.
  • the invention has for its object to provide a circuit arrangement for use in wind turbines with an asynchronous machine, by means of which the increased demands on modern wind turbines, in particular with regard to grid stabilization, can be met.
  • a circuit arrangement in which the additional resistance can be regulated by means of a fast switch in such a way that the converter can be switched off at least partially temporarily in the event of a mains short circuit in order to temporarily take over the rotor current by means of the additional resistance, and after the rotor short-circuit current has subsided for the active coupling of a short-circuit current can be connected to the network again.
  • the increased network requirements during operation of the wind power plant equipped with an asynchronous generator for network stabilization can be optimally met, because in the event of a network short-circuit at the medium-voltage level, there is no disconnection from the network.
  • an additional resistor designed as a controllable load resistor or a crow bar, which is equipped with the additional resistor has been inserted in the rotor circuit, which absorbs the rotor short-circuit energy when the mains short-circuit occurs and is then switched off after the short-circuit current has decayed.
  • the load resistance is controlled by a switch that can be switched off, in particular, which is not a naturally commutated thyristor.
  • the existing rotor inverter of the four-quadrant converter is briefly deactivated immediately after the mains short-circuit occurs and after the short-circuit compensation process has subsided, the threshold value advantageously being below a rotor alternating current, and then feeds the current during the mains short-circuit and with recurring mains voltage required power in the network.
  • a modification of the present invention in which the circuit arrangement has a plurality of resistances which can be switched independently or independently of one another has proven to be particularly advantageous. This ensures that the high rotor short-circuit current, which often exceeds 1000 A, can be divided among several switches, as these switchable switches for the total current must be connected in parallel in a very complex manner.
  • a circuit arrangement with a two-point controller for regulating the additional resistor is also particularly advantageous because it enables a very simple, fast and robust regulation to be set up.
  • a further modification proves to be particularly expedient if the regulation of the active switch is carried out with pulse width modulation with a fixed clock frequency, because in this way digital regulation can take place with a fixed clock frequency.
  • capacitive current or inductive current is supplied to the short circuit in the event of a network short-circuit, because this allows the network to be optimally stabilized depending on the requirements of the network operator.
  • a capacitive current is usually desired in order to supply the inductive network consumers.
  • an additional impedance is briefly inserted in the stator circuit in order to limit the stator and rotor current.
  • the stator and rotor current can be limited with recurring mains voltage.
  • An embodiment is also particularly expedient in which a fast contactor is used in the stator circuit in parallel with the additional impedance, in order to bridge the additional impedance in normal operation and to generate no losses. Furthermore, it is particularly promising if at least one thyristor with natural commutation is used in the stator circuit in parallel with the resistor. This ensures that, compared to switches that can be switched off actively, there are reduced losses in normal operation and the costs are lower.
  • circuit arrangement can be designed in a particularly advantageous manner in such a way that a regulated resistor is operated on the intermediate circuit of the converter, because this saves some components in the crowbar and the regulation of the rotor inverter permanently measures the rotor phase current.
  • Another particularly expedient embodiment of the invention is also achieved if a regulated resistor is operated both in the crow bar and on the intermediate circuit of the converter. This ensures that power is divided and that smaller individual switches can be used. Towards the end of the balancing process of the rotor short-circuit current, the entire rotor current is taken over, and the control of the rotor inverter then measures the total phase current.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is also achieved when the rotor inverter is switched off when the mains voltage is recurring, the overcurrent is then taken over by the controllable resistor in order to actively take over the rotor current after the overcurrent has died down and the regulated resistor has been switched off. This avoids a possible shutdown or disconnection of the wind power installation in the case of a suddenly recurring mains voltage.
  • FIG. 4 shows a voltage and current-time curve with additional resistance
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement according to the invention.
  • a switch V15 for example IGBT, GTO, IGCT
  • the crow bar is completely inactive.
  • the full rotor current flows into an inverter and is regulated by it. If a mains short-circuit occurs on the medium voltage, an asynchronous generator supplies a compensating short-circuit current for the short circuit due to the full excitation.
  • the current is only limited by the leakage inductances of the asynchronous generator and medium-voltage transformer, the maximum current reaching the following value:
  • Xtr is the total leakage impedance of the transformer, X1 the leakage impedance of the stator and X2 'the leakage impedance of the rotor.
  • the maximum stator current in the event of a short circuit at the medium voltage is of the order of up to 8 times the nominal stator current.
  • the rotor current is coupled to the stator current in a transformer and also reaches up to 8 times the nominal rotor current. This high compensation current cannot be conducted or absorbed by the converter in a technically sensible manner.
  • a rotor inverter is switched off due to the overcurrent.
  • the rotor current continues to flow via free-wheeling diodes of the rotor inverter and charges an intermediate circuit C3.
  • the voltage rises across a capacitor C10 in the crow bar.
  • the switch V15 is switched on.
  • a resistor R15 takes over the entire rectified rotor current, and the voltage across the capacitor C10 drops below the voltage limit, so that the switch V15 is switched off.
  • the voltage then rises again via the capacitor C10, due to the rotor current, and the switch V15 is switched on again.
  • the current change rate and thus the clock frequency are determined by L15.
  • the clock frequency is in the kHz range and cannot be achieved by natural commutation of thyristors, since the rotor frequency is a maximum of 15 Hz.
  • switch V15 is switched off completely and the rotor current commutates back into the converter.
  • the converter starts operation and control and actively feeds into the short circuit.
  • the grid inverter can be switched off while the adjustable resistor is active, but simultaneous operation is also possible.
  • a thyristor V10 is provided in the crow bar, which independently measures the voltage and is triggered by the switch V15 in the event of failure or in the event of a direct generator short circuit.
  • L10 prevents the current from rising too quickly in order not to destroy the thyristor V10.
  • D10 prevents a rapid discharge from a capacitor C10 through the switch V15.
  • Switch V15 can be regulated either directly in the crow bar or via the control card of the converter.
  • FIG. 2 A possible course of the short circuit is shown in FIG. 2, the dashed line representing the medium voltage and the solid line representing the mains voltage.
  • the short circuit occurs at the moment 0 msec. on.
  • the current immediately jumps to the maximum value and then decays due to the compensation process.
  • the high current is absorbed by the crow bar or resistance. If the rotor current falls below the nominal current, the current is again taken over and regulated by the converter.
  • the generator is overexcited and supplies capacitive reactive power to the grid during the short circuit.
  • inductive current can also be fed into the short circuit. The default can be chosen freely. Due to the voltage drop across the medium-voltage transformer, the mains voltage is approximately 20% of the nominal voltage.
  • the voltage does not suddenly rise to the nominal value, but via a dU / dt edge. Due to the slope of the recurring line voltage and the time constant of the generator, a dynamic overcurrent occurs in the stator and rotor. This overcurrent must be able to be supplied by the converter and does not lead to the rotor inverter being switched off. If the slope is too large or there is a phase error between the generator voltage and the recurring mains voltage, the dynamic overcurrent or compensation current becomes too high and the rotor inverter is switched off.
  • the adjustable resistor also takes over the compensating current for a short time and after falling below the nominal rotor current the resistor is switched off and the rotor inverter takes over its regulation again. During the voltage dip and with When the voltage returns, the controllable resistance is activated briefly. The rotor inverter is switched off during this time.
  • an additional impedance can be inserted into the stator circuit, for example by means of a resistor or a choke.
  • a resistor or a choke Such a system is shown in FIG. 3.
  • a K20 contactor is inserted between the medium-voltage transformer and the generator-converter system.
  • a resistor R20 is connected in parallel across the contactor K20. If the short circuit occurs, contactor K20 is opened and the stator current flows through resistor R20.
  • FIG. 4 shows the voltage-time curve with additional resistance.
  • the stator current is limited and decays faster than with the regulated crow bar.
  • the contactor must switch very quickly so that the resistor is active in the event of very short voltage dips.
  • An anti-parallel thyristor switch with natural commutation can also be used, which has a switch-off time of 6.7 msec, for example. at 50 Hz. This results in a fast switch, but has the disadvantage of high losses compared to the contactor solution.
  • the switch is after 10 msec. open. After the compensation process, the converter takes over the control. Due to the additional voltage drop across the resistor, the residual network voltage is higher than without additional impedance in the stator. With the recurring voltage, the additional resistance limits the dynamic stator current rise and allows higher voltage edges or lower overcurrents.
  • the freewheeling diodes of IGBT modules are not designed for very high pulse currents. Therefore, the components of the regulated resistor were placed in the crow bar.
  • a circuit arrangement with powerful free-wheeling diodes is shown in FIG. 5.
  • the switch V15 is coupled directly to the intermediate circuit of the converter and directly regulates the intermediate circuit voltage. This would simplify the entire structure. The additional standard crow bar is retained for extreme situations.
  • the additional resistance must be designed for all extreme situations.
  • the rotor inverters IGBTs are switched off and the rotor short-circuit current flows through the freewheeling diodes into the intermediate circuit. If a limit value is exceeded, the additional resistance is activated and the short-circuit energy is absorbed in the additional resistance. After the short-circuit current has subsided, the rotor inverter is reactivated and the set resistance is switched off.
  • the additional resistor can also be switched off first and the rotor inverter switched on. Simultaneous operation of the additional resistor and the rotor inverter is also possible.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine insbesondere zum Einsatz bei einer Windenergieanlage mit vari­abler Drehzahl bestimmte Schaltungsanordnung umfassend einen doppelt gespeisten Asyn­chrongenerator (DASM), einer Crow-Bar, einen Zusatzwiderstand (R15) und einen Umrichter. Um die An­forderungen der Netzbetreiber erfüllen zu können, bei der insbesondere eine dauerhafte Netzkoppelung, damit die Windenergieanlage während und nach beendetem Mittelspan­nungsnetzkurzschluss das Netz wieder aufbauen und stabilisieren kann, gewährleistet wer­den kann, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass der Zusatzwiderstand mit Hilfe eines schnellen Schalters derart regelbar ist, dass der Umrichter im Netzkurzschlussfall zumindest teilweise vorübergehend abschaltbar ist. Dadurch wird der Rotorstrom mittels des Zusatzwi­derstandes kurzzeitig übernommen und nach Abklingen des Rotorkurzschlussstromes abge­schaltet, so dass der Umrichter anschliessend wieder zuschaltbar ist und den gewünschten aktiven Kurzschlussstrom ins Netz liefern kann.

Description

Schaltungsanordnung zum Einsatz bei einer Windenergieanlage
Die Erfindung betrifft eine insbesondere zum Einsatz bei einer Windenergieanlage mit variabler Drehzahl bestimmte Schaltungsanordnung umfassend einen doppeltgespeisten Asyn- chrongenerator, einen Zusatzwiderstand und einen Umrichter.
Solche zum Einsatz bei drehzahlvariablen Windenergieanlagen vorgesehene Schaltungsanordnungen werden in der Praxis vielfach eingesetzt und zählen daher durch offenkundige Vorbenutzung zum Stand der Technik. Im Betrieb erweist es sich jedoch beim Einsatz dop- peltgespeister Asynchronmaschinen (DASM) als hinderlich, dass diese sich im Falle eines Netzkurzschlusses auf der Mittelspannungsebene vom Netz trennen. Daher kann die erwünschte Netzstabilisierung durch eine Windkraftanlage, die mit einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine betrieben wird, nicht realisiert werden.
In der Vergangenheit erfolgte die erforderliche Netzstabilisierung daher durch die Netzbetreiber mit konventionellen Kraftwerken. Aufgrund der schnell steigenden Anzahl der Windkraftanlagen und der damit verbundenen rasch ansteigenden Leistung, die inzwischen die Größe konventioneller Kraftwerke erreicht haben, müssen jedoch auch die Anforderungen der Windkraftanlagen an diejenigen der konventionellen Kraftwerke angepasst werden. Insbe- sondere wird zunehmend eine dauerhafte Netzkoppelung verlangt, damit die Windenergieanlage während und nach beendetem Mittelspannungsnetzkurzschluss das Netz wieder aufbauen und stabilisieren kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Einsatz bei Windkraftanlagen mit einer Asynchronmaschine zu schaffen, mittels der die erhöhten Anforderungen an moderne Windkraftanlagen, insbesondere hinsichtlich der Netzstabilisierung, erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Schaltungsanordnung vorgesehen, bei welcher der Zusatzwiderstand mittels eines schnellen Schalters derart regelbar ist, dass der Umrichter im Netzkurzschlussfall zumindest teilweise vorübergehend abschaltbar ist, um den Rotorstrom mittels des Zusatzwiderstandes kurzzeitig zu übernehmen, und nach Abklingen des Rotorkurzschlussstromes zur aktiven Einkopplung eines Kurzschlussstromes ins Netz wieder zu- schaltbar ist.
Hierdurch können die erhöhten Netzanforderungen im Betrieb der mit einem Asynchrongenerator ausgestatteten Windkraftanlage zur Netzstabilisierung optimal erfüllt werden, weil dabei im Falle eines Netzkurzschlusses auf der Mittelspannungsebene keine Trennung vom Netz eintritt. Hierzu ist im Rotorkreis beispielsweise ein als regelbarer Lastwiderstand ausgeführter Zusatzwiderstand oder ein Crow-Bar, der hierzu mit dem Zusatzwiderstand ausgestattet ist, eingefügt worden, der beim Eintreten des Netzkurzschlussfalls die Rotorkurzschlussenergie aufnimmt und anschließend, nach Abklingen des Kurzschlussstromes, abgeschaltet wird. Der Lastwiderstand wird mit einem insbesondere aktiv abschaltbaren Schalter geregelt, der insbesondere kein natürlich kommutierter Thyristor ist. Der vorhandene Rotorwechselrichter des Vier-Quadranten-Umrichters wird sofort nach Eintreten des Netzkurzschlusses kurzzeitig deaktiviert und nach Abklingen des Kurzschlussausgleichsvorganges, wobei der Schwellenwert vorteilhafter Weise unterhalb eines Rotorwechselrichtemennstro- mes liegt, wieder aktiviert und speist dann während des Netzkurzschlusses und bei wieder- kehrender Netzspannung die erforderliche Leistung in das Netz.
Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei eine Abwandlung der vorliegenden Erfindung, bei welcher die Schaltungsanordnung mehrere abhängig oder unabhängig voneinander schaltbare Widerstände aufweist. Hierdurch wird erreicht, dass der hohe Rotorkurzschluss- ström, der häufig 1000 A übersteigt, auf mehrere Schalter aufgeteilt werden kann, da diese abschaltbaren Schalter für den Gesamtstrom sehr aufwendig parallel geschaltet werden müssen.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Schaltungsanordnung mit einem Zweipunktregler, zur Regelung des Zusatzwiderstandes, weil dadurch eine sehr einfache, schnelle und robuste Regelung aufgebaut werden kann.
Hierbei erweist sich eine weitere Abwandlung als besonders zweckmäßig, wenn die Regelung des aktiven Schalters mit einer Pulsweitenmodulation mit einer festen Taktfrequenz erfolgt, weil auf diese Weise eine digitale Regelung mit einer festen Taktfrequenz erfolgen kann.
Weiterhin ist es auch besonders Erfolg versprechend, wenn die Regelung des aktiven Schalters mit einem P-Regler, Pl-Regler oder PID-Regler erfolgt. Hierdurch wird erreicht, dass beim Eintreten des Netzkurzschlusses der Rotorkurzschlussstrom bzw. die Rotorklemmspannung optimal geregelt werden können.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der im Netzkurzschlussfall kapazitiver Strom oder induktiver Strom in den Kurz- schluss geliefert wird, weil dadurch je nach Anforderung der Netzbetreiber das Netz optimal stabilisiert werden kann. Üblicherweise wird ein kapazitiver Strom erwünscht, um die induktiven Netzverbraucher zu versorgen.
Weiterhin ist es besonders sinnvoll, wenn im Netzkurzschlussfall eine Übertragung von Blindleistung in den Kurzschluss ausgeschlossen ist, weil dann der geringste Strom in den Kurzschluss gespeist wird, um vorhandene Mittelspannungsschalter nicht zu überlasten.
Außerdem ist nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung im Statorkreis kurzzeitig eine Zusatzimpedanz eingefügt, um den Stator und Rotorstrom zu begrenzen. Durch das bedarfsweise Einfügen der Zusatzimpedanz kann der Stator- und Rotorstrom bei wiederkehrender Netzspannung begrenzt werden.
Besonders zweckmäßig ist auch eine Ausführungsform, bei der im Statorkreis parallel zur Zusatzimpedanz ein schnelles Schütz eingesetzt ist, um so die Zusatzimpedanz im normalen Betrieb zu überbrücken und keine Verluste zu erzeugen. Ferner ist es auch besonders Erfolg versprechend, wenn im Statorkreis parallel zum Widerstand zumindest ein Thyristor mit natürlicher Kommutierung eingesetzt ist. Hierdurch wird erreicht, dass, verglichen mit aktiv abschaltbaren Schaltern, reduzierte Verluste im Normalbetrieb entstehen und die Kosten geringer sind.
Weiterhin kann die Schaltungsanordnung in besonders vorteilhafter Weise so ausgeführt sein, dass am Zwischenkreis des Umrichters ein geregelter Widerstand betrieben wird, weil dadurch einige Bauteile in der Crow-Bar gespart werden können und die Regelung des Rotorwechselrichters dauerhaft den Rotorphasenstrom misst.
Eine andere besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird auch dann erreicht, wenn sowohl in der Crow-Bar als auch am Zwischenkreis des Umrichters ein geregelter Widerstand betrieben wird. Hierdurch wird erreicht, dass eine Leistungsaufteilung erfolgt und kleinere Einzelschalter eingesetzt werden können. Gegen Ende des Ausgleichsvorganges des Rotorkurzschlussstromes erfolgt die Übernahme des gesamten Rotorstromes, und die Regelung des Rotorwechselrichters misst dann den gesamten Phasenstrom.
Weiterhin wird eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung auch dann erreicht, wenn bei wiederkehrender Netzspannung der Rotorwechselrichter abgeschaltet, der Überstrom dann durch den regelbaren Widerstand übernommen wird, um nach Abklingen des Überstromes und Abschalten des geregelten Widerstandes den Rotorstrom aktiv zu ü- bernehmen. Hierdurch wird eine mögliche Abschaltung bzw. Netztrennung der Windenergieanlage bei insbesondere plötzlich wiederkehrender Netzspannung vermieden.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig.1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung;
Fig.2 einen möglichen Kurzschlussverlauf;
Fig.3 Schaltungsanordnung mit regelbarem Rotorwiderstand und Zusatzstatorwiderstand;
Fig.4 einen Spannungs- und Strom-Zeitverlauf mit Zusatzwiderstand; Fig.5 Schaltungsanordnung mit verstärkten Inverterdioden und regelbarem Lastwiderstand im Zwischenkreis.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Im Normalbetrieb ist ein Schalter V15, beispielsweise IGBT, GTO, IGCT, abgeschaltet und die Crow-Bar ist völlig inaktiv. Der volle Rotorstrom fließt in einen Umrichter und wird von diesem geregelt. Sofern ein Netzkurzschluss auf der Mittelspannung auftritt, liefert ein Asynchrongenerator bedingt durch die volle Erregung einen Ausgleichskurzschlussstrom zum Kurzschluss. Der Strom wird nur durch die Streuinduktivitäten des Asynchrongenerators und Mittelspannungstransformators begrenzt, wobei der maximale Strom folgenden Wert erreicht:
U
« 1.8 « Net: s,a,or " " " Xtr + X\ + X2'
Dabei ist Xtr die gesamte Streuimpedanz des Transformators, X1 die Streuimpedanz des Stators und X2' die Streuimpedanz des Rotors. Der maximale Statorstrom liegt bei einem Kurzschluss an der Mittelspannung in der Praxis in der Größenordnung von bis zu dem 8- fachen Statornennstrom. Der Rotorstrom ist transformatorisch mit dem Statorstrom gekoppelt und erreicht auch bis zu dem 8-fachen des Rotornennstromes. Dieser hohe Ausgleichstrom kann nicht technisch sinnvoll vom Umrichter geführt bzw. aufgenommen werden. Beim Eintritt des Kurzschlusses wird ein Rotorwechselrichter bedingt durch den Überstrom abgeschaltet. Der Rotorstrom fließt weiter über Freilaufdioden des Rotorwechselrichters und lädt einen Zwischenkreis C3 auf. Gleichzeitig steigt die Spannung über einen Kondensator C10 in der Crow-Bar. Beim Erreichen eines Spannungsgrenzwertes über den Kondensator C10 wird der Schalter V15 eingeschaltet. Ein Widerstand R15 übernimmt den gesamten gleichge- richteten Rotorstrom, und die Spannung über den Kondensator C10 sinkt unter den Spannungsgrenzwert, so dass der Schalter V15 abgeschaltet wird. Die Spannung steigt anschließend über den Kondensator C10, bedingt durch den Rotorstrom, wieder an und der Schalter V15 wird wieder eingeschaltet. Die Stromänderungsgeschwindigkeit und damit auch die Taktfrequenz werden durch L15 bestimmt. Die Taktfrequenz liegt bis in den kHz-Bereich und kann nicht durch natürliche Kommutierung von Thyristoren erfolgen, da die Rotorfrequenz bei maximal 15 Hz liegt. Mit dieser Zweipunkt-Regelung wird eine konstante Gegenspannung für die Rotorspannung erzeugt und der Ausgleichstrom klingt bedingt durch die konstant hohe Gegenspannung in kürzester Zeit ab. Der gesamte Strom ist vom Rotorwechselrichter in die Crow-Bar kommutiert. Der Umrichterstrom ist nahe null. Der Crow-Bar Strom wird von der Steuerkarte gemessen und ausgewertet. Der Lastwiderstand ist für den maxi- malen Strom ausgelegt und die Einschaltdauer des Schalters V15 ist anfangs nahe 100 %. Mit sinkendem Ausgleichstrom wird die Einschaltdauer geringer und liegt beim Rotornennstrom bei ca. 12 %, was in etwa 1/8 des maximalen Stromes entspricht. Denkbar wären auch mehrere Widerstände, die einzeln zu und abgeschaltet werden können. Unterschreitet der Ausgleichstrom den Rotornennstrom, so wird der Schalter V15 ganz abgeschaltet und der Rotorstrom kommutiert in den Umrichter zurück. Der Umrichter nimmt seinen Betrieb und die Regelung auf und speist aktiv in den Kurzschluss. Während der regelbare Widerstand aktiv ist, kann der Netzwechselrichter abgeschaltet werden, es ist aber auch der gleichzeitige Betrieb möglich. In der Crow-Bar ist aus Sicherheitsgründen ein Thyristor V10 vorgesehen, der selbständig die Spannung misst und bei Versagen von dem Schalter V15 oder beim direkten Generatorkurzschluss gezündet wird. L10 verhindert einen zu schnellen Stromanstieg, um den Thyristor V10 nicht zu zerstören. Dabei verhindert D10 eine Schnellentladung von einem Kondensator C10 durch den Schalter V15. Die Regelung des Schalters V15 kann entweder direkt in der Crow-Bar oder durch die Steuerkarte des Umrichters erfolgen.
Ein möglicher Kurzschlussverlauf ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die gestrichelte Linie die Mittelspannung und die durchgezogene Linie die Netzspannung darstellt. Der Kurzschluss tritt im Augenblick 0 msec. auf. Der Strom springt sofort auf den Maximalwert und klingt dann, bedingt durch den Ausgleichsvorgang, ab. Der hohe Strom wird von der Crow-Bar bzw. Wi- derstand aufgenommen. Beim Unterschreiten des Rotornennstromes wird der Strom wieder durch den Umrichter übernommen und geregelt. Der Generator wird übererregt und liefert während des Netzkurzschlusses kapazitive Blindleistung ans Netz. Es kann aber auch induktiver Strom in den Kurzschluss gespeist werden. Die Vorgabe kann frei gewählt werden. Die Netzspannung liegt, bedingt durch den Spannungsabfall über den Mittelspannungstransfor- mator, in der Größe von ~ 20 % von der Nennspannung. Im Augenblick der Spannungswiederkehr steigt die Spannung nicht schlagartig auf den Nennwert, sondern über eine dU/dt Flanke. Durch die Flankensteilheit der wiederkehrenden Netzspannung und der Zeitkonstante des Generators tritt ein dynamischer Überstrom im Stator und Rotor auf. Dieser Überstrom muss vom Umrichter geliefert werden können und führt nicht zur Abschaltung des Rotor- Wechselrichters. Ist die Flankensteilheit zu groß oder liegt ein Phasenfehler zwischen der Generatorspannung und der wiederkehrenden Netzspannung vor, so wird der dynamische Überstrom bzw. Ausgleichsstrom zu hoch, der Rotorwechselrichter wird abgeschaltet. Der regelbare Widerstand übernimmt auch hier kurzzeitig den Ausgleichsstrom und nach Unterschreiten des Rotornennstromes wird der Widerstand abgeschaltet und der Rotorwechsel- richter übernimmt wieder seine Regelung. Während des Spannungseinbruches und bei wie- derkehrender Spannung wird der regelbare Widerstand kurzeitig aktiviert. Der Rotorwechselrichter ist während dieser Zeit abgeschaltet.
Bei extrem schnellen Spannungsanstiegszeiten kann in den Statorkreis eine Zusatzimpe- danz, beispielsweise durch einen Widerstand oder eine Drossel, eingefügt werden. Ein solches System ist in der Figur 3 dargestellt. Zwischen dem Mittelspannungstransformator und dem Generator- Umrichter -System ist ein Schütz K20 eingefügt. Über dem Schütz K20 liegt parallel ein Widerstand R20. Tritt der Kurzschlussfall auf, so wird der Schütz K20 geöffnet und der Statorstrom fließt durch den Widerstand R20.
In der Figur 4 ist der Spannungs-Zeitverlauf mit Zusatzwiderstand dargestellt. Der Statorstrom wird begrenzt und klingt schneller, als nur mit der geregelten Crow-Bar, ab. Das Schütz muss sehr schnell schalten, damit bei sehr kurzen Spannungseinbrüchen der Widerstand aktiv ist. Es kann auch ein antiparalleler Thyristorschalter mit natürlicher Kommutie- rung eingesetzt werden, der beispielsweise eine Abschaltzeit von 6,7 msec. bei 50 Hz aufweist. Dieses ergibt einen schnellen Schalter, aber hat den Nachteil von hohen Verlusten, verglichen mit der Schütz-Lösung. In der Figur 4 ist der Schalter nach 10 msec. geöffnet. Nach dem Ausgleichsvorgang übernimmt der Umrichter wiederum die Regelung. Die Restnetzspannung ist, bedingt durch den zusätzlichen Spannungsabfall über den Widerstand, höher als ohne Zusatzimpedanz im Stator. Bei der wiederkehrenden Spannung begrenzt der zusätzliche Widerstand den dynamischen Statorstromanstieg und erlaubt höhere Spannungsflanken bzw. geringere Überströme.
Die Freilaufdioden von IGBT-Modulen sind nicht für sehr hohe Pulsströme ausgelegt. Daher wurden die Bauteile des geregelten Widerstandes in die Crow-Bar gelegt. Eine Schaltungsanordnung mit leistungsstarken Freilaufdioden zeigt Figur 5. Der Schalter V15 wird direkt mit dem Zwischenkreis des Umrichters gekoppelt und regelt direkt die Zwischenkreisspannung. Dieses würde den gesamten Aufbau vereinfachen. Die zusätzliche Standard-Crow-Bar bleibt für Extremsituationen erhalten.
Denkbar ist auch der völlige Verzicht der Crow-Bar. In diesem Fall muss der Zusatzwiderstand für alle Extremsituationen ausgelegt werden. Im Kurzschlussfall werden die Rotorwechselrichter IGBTs abgeschaltet und der Rotorkurzschlussstrom fließt durch die Freilaufdioden in den Zwischenkreis. Beim Überschreiten eines Grenzwertes wird der Zusatzwider- stand aktiviert und die Kurzschlussenergie im Zusatzwiderstand aufgenommen. Nach Abklingen des Kurzschlussstromes wird der Rotorwechselrichter wieder aktiviert und der Zu- satzwiderstand wird abgeschaltet. Es kann auch zuerst der Zusatzwiderstand abgeschaltet und der Rotorwechselrichter zugeschaltet werden. Es ist auch ein gleichzeitiger Betrieb des Zusatzwiderstandes und des Rotorwechselrichters möglich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Eine insbesondere zum Einsatz bei einer Windenergieanlage mit variabler Drehzahl bestimmte Schaltungsanordnung umfassend einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator, einen Zusatzwiderstand und einen Umrichter, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwiderstand mittels eines Schalters derart regelbar ist, dass der Umrichter im Netzkurzschlussfall zumindest teilweise vorübergehend abschaltbar ist, um den Rotorstrom mittels des Zusatzwiderstandes kurzzeitig zu übernehmen, und nach Abklingen des Rotorkurzschlussstromes zur aktiven Einkopplung eines Kurzschlussstromes ins Netz wieder zuschaltbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter nach Abklingen des Rotorkurzschlussstromes unterhalb eines Rotorwechselrichternennstro- mes zuschaltbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung mehrere abhängig oder unabhängig voneinander schaltbare Widerstände aufweist.
4. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch einen Zweipunktregler zur Regelung des Zusatzwiderstandes.
5. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Schalters mit einer Pulsweitenmodulation mit einer festen Taktfrequenz erfolgt.
6. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Schalters mit einem P-Regler, Pl-Regler oder PID- Regler erfolgt.
7. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwiderstand als Bestandteil eines Crow-Bars ausgeführt ist.
8. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des aktiven Schalters direkt von der Crow-Bar erfolgt.
9. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Crow-Bar-Schalters direkt von der Umrichtersteuerkarte erfolgt.
10. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Netzkurzschlussfall kapazitiver Strom oder induktiver Strom in den Kurzschluss geliefert wird.
11. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Netzkurzschlussfall eine Übertragung von Blindleistung in den Kurzschluss ausgeschlossen ist.
12. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorkreis kurzzeitig eine Zusatzimpedanz eingefügt ist, um den
Stator und Rotorstrom zu begrenzen.
13. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorkreis parallel zum Widerstand ein schnelles Schütz einge- setzt ist.
14. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorkreis parallel zum Widerstand zumindest ein Thyristor mit natürlicher Kommutierung eingesetzt ist.
15. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Zwischenkreis des Umrichters ein geregelter Widerstand betrieben wird.
16. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl in der Crow-Bar als auch am Zwischenkreis des Umrichters ein geregelter Widerstand betrieben wird.
17. Schaltungsanordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei wiederkehrender Netzspannung der Rotorwechselrichter abgeschaltet wird und der Überstrom durch den regelbaren Widerstand übernommen wird und nach Abklingen des Überstromes der geregelte Widerstand abgeschaltet wird und der Rotorwechselrichter aktiv den Rotorstrom übernimmt.
18. Schaltungsanordnung zum Einsatz bei einer Windenergieanlage mit variabler Drehzahl umfassend einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator, einen Zusatzwiderstand und einen Umrichter, dadurch gekennzeichnet, dass bei ansteigender Netzspannung der Rotorwechselrichter abgeschaltet wird und der Überstrom durch den regelbaren Widerstand übernommen wird und nach Abklingen des Überstromes der geregelte Widerstand abgeschaltet wird und der Rotorwechselrichter aktiv den Rotorstrom übernimmt.
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