WO2019011846A1 - Vorrichtung und verfahren zum überprüfen des elektro-dynamischen verhaltens eines antriebsstrangs einer stromerzeugungseinrichtung am netz - Google Patents

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power
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Eric Hartmann
Jörg KRETSCHMANN
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Woodward Kempen Gmbh
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    • Y04S40/20—Information technology specific aspects, e.g. CAD, simulation, modelling, system security

Definitions

  • the invention relates to a device for testing the electro-dynamic
  • test drive train at least one generator for generating electrical power and at least one inverter for feeding the
  • the device additionally comprises connection means for connecting the inverter to an electrical network, an electrical load for the drive train is provided and the device comprises at least one network error unit for simulating transient network errors and a flow control, with which at least the
  • the invention relates to a method for testing the electro-dynamic behavior of a drive train of a power generating device on the network, in particular a wind turbine on the grid in case of transient network faults using the device according to the invention.
  • test benches Devices for testing the network behavior of power generating devices on the network in the event of network faults, in particular in the case of voltage fluctuations in the network, known as "test benches", are known from the prior art, for example wind turbines are subjected to thorough tests after their construction on site, in which voltage fluctuations also occur
  • the effort for these tests is enormous because in particular the entire measuring equipment has to be brought to locations which are difficult to access, for example Complex conversion or modification of the power generation facility Suburb take place.
  • test benches are used, so that before the construction of the power generating device a
  • Extensive testing of the electro-dynamic behavior of the powertrain can be carried out in the event of network faults.
  • Voltage dips or voltage overshoots Voltage faults, ie voltage dips or voltage overshoots with a time duration of up to approximately 3 seconds, for example as a single fault, also referred to as a "single fault", are regarded as transient network faults
  • the power generation device and thus its drive train must therefore have a "fault-ride-through” operation, ie either a “low voltage ride-through” (LVRT) operation or a “high voltage ride-through” (HVRT).
  • LVRT low voltage ride-through
  • HVRT high voltage ride-through
  • Double faults are defined as two consecutive single faults within a time period of up to 20s.
  • Multiple errors are defined as a number of 6-10 single errors within a time of up to 6 minutes.
  • the behavior of the inverter for double and multiple errors is usually checked in corresponding test benches.
  • test benches devices for the testing of the electro-dynamic behavior of a drive train of a power generation device are known from the prior art, for example, in the article "Full-Power Converter based Test Bench for Low Voltage Ride -through testing of wind turbine converters ", R. Pöllänen et. al., Power Electronics and Applications (EPE 2011), "Proceedings of the 2011-14th European Conference on Power Electronics and Applications", presented a device in which the to be examined
  • Powertrain is connected to the network side with another inverter, which in turn is connected to the network at a network connection point and used to simulate network errors.
  • the powertrain generator is coupled to a motor, which in turn is driven by an inverter.
  • the driven by the inverter motor is intended to be the rotor of the
  • European Patent EP 2 458 394 B1 also discloses a device for testing converters of, for example, a wind turbine, in which, in addition to the converter to be tested, a further identical converter is required in order, on the one hand, to provide line fault conditions and, on the other hand, the output power provided by the converter to be tested to use again for tests.
  • inverters with identical magnitudes are required for each powertrain to be tested, so that not only the test drive is required Inverter, but also the inverter for providing the electrical power for the tests of a similar magnitude must be exchanged or provided.
  • the present invention has the object, a device for testing the electro-dynamic behavior of a drive train of a power generating device on the grid at transient network errors for
  • the invention is based on the object to propose a corresponding method for testing the electro-dynamic behavior of a drive train.
  • the object shown is according to a first teaching of the present invention for a generic device for testing the electro-dynamic
  • Behavior of a drive train of a power generating device to the network solved in that means are provided for driving the generator, which have at least one flywheel mass storage for storing kinetic energy and the at least one flywheel energy storage device can be coupled to the generator via a drive shaft.
  • Flywheel accumulator stored kinetic energy over a short period of time to provide the generator of the powertrain to check the electrodynamic behavior of the powertrain. Due to its kinetic energy, the flywheel mass storage device continues to drive the generator for the short period of transient network faults.
  • the behavior of the powertrain is so far similar to that of a wind turbine in which the rotor of the wind turbine would provide the energy. This eliminates the need to equip the drive of the generator to be tested powertrain with an identical performance.
  • the means for driving the generator can be constructed with a significantly lower power and used for drive trains of different power classes. As a result, the cost of the device are significantly reduced. By way of example, it is also possible to simulate the operation of a wind energy plant via the sequence control and to predetermine a corresponding behavior of the drive train.
  • At least one controllable motor for driving the at least one
  • Flywheel mass storage provided via a drive shaft.
  • the corresponding, for example, electric motor may preferably have a power which is less than the generator power and.
  • the drive power of the engine for example, only 10% to 30% of the generator power to be tested
  • At least one coupling is provided for coupling the flywheel mass accumulator to the generator and / or with the at least one motor on the drive shaft in order to flexibly couple the flywheel mass accumulator to the drive train.
  • the coupling between the flywheel energy accumulator and the generator can serve, for example, for the delivery of the stored kinetic energy during the test as well Energy of the flywheel mass storage, for example, in the event of a fault, to prevent the drive train.
  • the flywheel mass storage is modular according to another embodiment and allows a modular adaptation of
  • the device according to the invention is suitable for testing the transient behavior of different drive trains.
  • the drive train therefore preferably has a double-fed asynchronous machine, in which a converter is usually provided on the rotor side or a synchronous machine with full converter, wherein the converters used can be designed both as 2-level or 3-level converters.
  • the device according to the invention is provided as an electrical load at least one active electrical load at the output of the inverter of the drive train, which can act on the test drive train with respect to the individual phases symmetrical or unbalanced electrical loads.
  • Active electrical loads can exceed the intended Sequence control can be easily switched on and also switched off again, for example, as soon as the test cycle is completed.
  • the electrodynamic behavior of the drive train can be tested in a simple way under load.
  • the active electrical load is a controlled load circuit (e.g.
  • Crowbar preferably designed as a controlled load circuit for each individual phase, an influence of the connected network can be selectively minimized or suppressed by the load circuit during load simulating the network fault analogous to the network fault a load on
  • Load circuit refers to load circuits in which the active load is switched on via a circuit breaker, because of the short switching cycles, the load can be almost without
  • Powertrain delivered active and / or reactive power of the powertrain can be reduced during the upcoming network fault on the switched loads so that an impact on the connected network is minimized or excluded. If a corresponding, active load circuit is provided for each phase, feedbacks to the network can be provided by the provided, controlled
  • Load circuits are minimized even when simulating unbalanced network errors. If, for example, an asymmetrical network fault is generated by connecting a component between the phases LI and L2, the load circuit between the two phases LI and L2 can also connect an unbalanced load, which then picks up the active and reactive power of the converter. In particular, complex measures, such as, for example, the provision of a further converter for suppressing network feedback are no longer necessary.
  • means are provided for measuring the reactive and active power output of the drive train to the electrical network, wherein the sequence control means for controlling the active and reactive power output of the drive train to the electrical network. Preferably, via the means for controlling the active and reactive power and the load circuits are driven accordingly to the active and
  • Control reactive power output This makes it possible, on the one hand, to control the active and reactive power output to the grid to a predetermined value, for example zero, or to simulate the behavior of a wind energy plant by means of concrete specifications for reactive and active power.
  • the device according to the invention can be further developed in that the network error unit both a circuit for the simulation of
  • Voltage dips such as LVRT test or HVRT test at
  • the object is achieved by a method for testing the electro-dynamic behavior of a drive train of a power generating device on the network, especially in transient network faults using the device according to the invention that the generator of the drive train at least temporarily with at least one
  • Flywheel mass storage is coupled via at least one drive shaft and the at least one flywheel energy storage at least temporarily transmits rotational energy to the generator.
  • Flywheel accumulators are the drive means for the generator of the test drive train with respect to their power output from the
  • an active and reactive power output to an electrical load for example, using the load circuit, which is either fixed or can be switched on after reaching the speed of the drive train.
  • the grid connection conditions are intended to determine the behavior of
  • the method according to the invention can be advantageously designed be set, that the duration of the network error according to the duration of the test network failure of the intended network connection conditions.
  • the test scenarios can be adapted flexibly to the grid connection conditions.
  • the sequence control system controls the power output of the drive train during the tests in such a way that the power essentially exclusively depends on the electrical load
  • the load circuit is delivered and the active and
  • Reactive power output to the grid is regulated to zero. This makes it possible that the inventive method can also be performed on rather weakly connected networks, which are not burdened due to the non-existent active and reactive power output.
  • the method is preferably controlled
  • Load circuits e.g., "active crowbar" off
  • Overvoltage protection circuits preferably for each individual phase
  • Inverter to avoid the repercussions on the grid is not necessary.
  • By “essentially” is meant in the present case that, except for residues which are unavoidable by the control, active and / or reactive power is fed only into the electrical load.
  • the simulated network error is canceled after expiration of the duration of the simulated network error via the network error unit and optionally the electrical load of the drive train is reset to a predetermined value, in particular 0.
  • the following switching states are run through during the test of the electro-dynamic behavior of the drive train:
  • Interposition of an inductance per phase is achieved that when setting the network error to test the electro-dynamic behavior of the drive train direct action by the network, for example, by high mains currents, can not or only to a small extent.
  • the connection of the additional components between the individual phases then causes the network fault to be simulated, which due to the decoupling only with respect to the drive train
  • the additional components can lead to a lifting of the voltage by a capacitive connection of two phases with each other. All three phases can also be capacitively connected to each other, so that there is an overall voltage increase. Are the phases with each other over
  • a voltage drop can be simulated so that the necessary conditions can be set, for example, for a given LVRT or HVRT test.
  • the fault can be applied to the powertrain for a specified period of time so that an LVRT or HVRT test can be carried out in a targeted manner.
  • Fig. L an embodiment of a device for testing the
  • 4 shows an embodiment of a network error unit for performing LVRT and HVRT tests
  • 5, 6 are circuit diagrams of embodiments of a network error unit for performing an LVRT or HVRT test
  • Fig. 7 is a circuit diagram of an embodiment of an active load in
  • Fig. 8 is a schematic flow diagram of an embodiment of the method according to the invention.
  • Embodiment of a network error unit Embodiment of a network error unit.
  • FIG. 1 The illustrated in Fig. 1 embodiment of a device according to the invention for testing the electro-dynamic behavior of a drive train of a
  • Transient network faults are network faults which are characterized by voltage dips or voltage swells and which occur for a period of up to a maximum of 3 seconds, for example as a single fault.
  • the device has connection means 4, via which the converter 2 to a
  • an electrical load 5 is provided, which is shown here as an active and controllable electrical load in the form of a load circuit.
  • the electrical load serves to verify the electro-dynamic
  • the load 5 may be symmetrical or asymmetrical and, for example, be tuned exactly to the set network error in order to minimize the effects on the network.
  • the test of the electro-dynamic behavior is performed without feeding active electrical or reactive power into the network by the power is fed only in the electrical load 5.
  • the electrical load 5 is switched symmetrically to the set network fault, so that the additional components generated by the network error are delivered to the electrical load.
  • the electrical load 5 is preferably controlled
  • a network fault unit 6 is provided between the converter 2 and the connection means 4, which can simulate network faults, so that the behavior of the drive train 1 can be tested under load conditions in the event of a network fault.
  • the sequencer 7 can at least the drive train 1 and the network error unit 6 during the test of the electro-dynamic
  • Control powertrain 1 behavior In addition, it can simulate the operation of a wind energy plant by specifying setpoints for active and reactive power.
  • the electrical load 5 By using the electrical load 5 can be using the
  • Sequence control 7 the active and reactive power output done so that it is discharged substantially alone on the electrical load 5.
  • means for driving the generator 3 are additionally provided, which have a flywheel mass storage 8 for storing kinetic energy.
  • a drive shaft 8a is provided, via which the
  • illustrated momentum storage 8 is modular and can be adapted in terms of the stored power modular to the required power output. Between the engine 9 and the flywheel energy storage 8 is a
  • Coupling 10 is provided.
  • the motor 9 is controlled by a controller 11.
  • the power of the motor 9 and the controller 11 are through the use of the
  • Flywheel mass memory 8 almost independent of the size, i. the performance of the test drive train 1 selectable.
  • the motor 9 When testing the electrodynamic behavior of the drive train, the motor 9 must be able to accelerate the flywheel mass accumulator 8 to the required speed in an adequate time so that the necessary kinetic energy for carrying out the test is stored in the flywheel mass accumulator 8.
  • flywheel mass accumulator 8 can be coupled to the generator 3 via at least one drive shaft 8a, in the test case the necessary drive energy can be generated for a short time, precisely for the period of time scheduled for the test
  • Flywheel accumulator 8 are provided. It is therefore not necessary to set up a test environment in which additional drives in the same order of magnitude as in the drive train to be tested are provided on the drive side, as was previously known from the prior art.
  • the flywheel energy storage 8 can be solved by the generator operation in case of a problem and so the energy supply in the To interrupt the powertrain.
  • the moment of inertia of the flywheel mass accumulator 8 is preferably 0.5 times to 10 times, more preferably 0.8 times to 2 times the
  • flywheel mass accumulator 8 is modular. In this case, the flywheel energy storage 8 also on
  • means 13 for measuring the active and reactive power at the network output of the drive train 1 are provided in front of the network connection means.
  • the sequence controller 7 can control the effective and active values using the measured reactive and active power values
  • Network connection means 4 no delivery of active or reactive power takes place.
  • Connection 4 can be achieved. This allows the performance of the test of the electrodynamic behavior of the drive train 1 of a power generation device without special provisions with regard to the power supply.
  • drive concepts for the drive train 1 both synchronous generators in Vollumrichter congress or double-fed asynchronous machines can be used.
  • Fig. 2 shows an example of a drive train in which with M, the rotor of a wind turbine is indicated and with SG permanently energized
  • Synchronous generator is designated. Through the three phases 3p, the total power of the generator via the inverter U is delivered to the network N.
  • the combination of permanently excited synchronous generator with inverter U represents the drive train.
  • 3 shows a double-fed asynchronous machine G in which the stator of the asynchronous machine is directly connected to the network N and voltages are impressed into the rotor of the asynchronous machine via a converter U 'in order to apply the energy introduced via the rotor of the wind energy installation M to the asynchronous machine network
  • a network error unit 6 which includes a decoupling device 6a for decoupling the individual phases of the inverter from the network and a circuit 6b for simulating a
  • the network fault unit 6 shown in FIG. 4 can therefore be used for both HVRT and LVRT tests.
  • FIGS. 5 and 6 show exemplary embodiments of the invention
  • Network fault units 6 which serve either to simulate voltage drops (FIG. 6) and voltage increases (FIG. 5).
  • the network fault unit 6 may also have both circuits to handle both voltage sags
  • the active load 5 may additionally be designed as a controlled load circuit for each individual phase, as shown in the exemplary embodiment in FIG. 7. 7, which is also known as an "active crowbar", makes it possible to limit the influence of the electrical network by the device according to the invention to a minimum shown as identical circuit between the individual phases connected to the network, so that between the individual phases, ie L1-L2, L1-L3 and L1-L2 each have an identical active controlled Loading circuit is provided. Via a diode bridge circuit 17, a DC voltage is generated with certain voltage ripple, which means
  • Circuit breaker S is connected to a load resistor 19.
  • an R-C circuit 18 is used. In the case of activation of the load circuit is the
  • Circuit breaker S connected to produce the required power dissipation in the resistor.
  • FIG. 8 shows a schematic view of the method steps of an embodiment of the method according to the invention.
  • step A the generator 3 and the at least one
  • step B a transient network fault is simulated or set on the network side of the inverter via a network fault unit 6, so that the control of the converter must respond to the network fault.
  • the sequence controller 7 gives the converter 2 the setpoint values, for example one
  • Wind turbine control so that the electro-dynamic behavior of the powertrain in the event of a network failure can be realistically checked.
  • kinetic rotational energy is supplied to the generator via the flywheel mass accumulator 8 in order to be able to completely pass through the fault period.
  • the reactive and active power output of the drive train 1 can be controlled to predetermined values via the sequence control 7 in order to be able to simulate a realistic operation. These predetermined values, in conjunction with the active load 5, can lead to the active and reactive power output at the connection means to the network being zero.
  • step C the set or simulated via the network error unit 6
  • the duration of the network error in the test of the electro-dynamic behavior of the drive train 1 is preferably set according to the intended grid connection conditions.
  • the sequencer controls the output of active and reactive power of the drive train 1, so that the active and reactive power output to the network is controlled to the value 0 and the output from the drive train 1 power is delivered only via the electrical load 5.
  • Method steps A, B and C may preferably be carried out an LVRT test or HVRT test in which the drive train 1 in the case of a short
  • the LVRT or HVRT test is a typical test given by the grid connection conditions and for drives of different types
  • Performance classes is to be checked. Preferably, after expiration of the duration of the simulated network error,
  • step C the network fault unit again cancel the simulated network fault and optionally reset the electrical load of the inverter to a predetermined value, preferably zero. This prepares the device and powertrain for a next test or review.
  • the network error unit preferably has four different switching states in the simulation of network errors. In a schematic diagram, these are shown in FIG. 9 with the steps a to d. They will be explained below in connection with FIGS. 5 and 6.
  • the inverter of the drive train is first decoupled from the network by interposing inductors per phase between the grid connection and the converter.
  • the switch 14 is opened, for example, for each phase. This ensures that the network has almost no effect on the network error set on the drive train 1. Large mains currents are thereby avoided.
  • step b additional components between individual phases on the output side of the converter 2 for the purpose of simulating the network error to
  • the device according to the invention not only on the drive side of the test drive train, but also at the output of the drive train compared to the devices known from the prior art, significant simplifications, without the test options for transient Restrict network errors.
  • This makes it possible to check the electro-dynamic behavior of drive trains of power generation devices in a cost-effective manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz, insbesondere einer Windenergieanlage am Netz bei transienten Netzfehlern, wobei der zu prüfende Antriebsstrang mindestens einen Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung und mindestens einen Umrichter zum Einspeisen der elektrischen Leistung des Generators in ein elektrisches Netz aufweist, und die Vorrichtung zusätzlich Anschlussmittel zum Anschließen des Umrichters an ein elektrisches Netz aufweist, eine elektrische Last für den Antriebsstrang vorgesehen ist und die Vorrichtung mindestens eine Netzfehlereinheit zur Simulation transienter Netzfehler sowie eine Ablaufsteuerung umfasst, mit welcher zumindest der Antriebsstrang und die Netzfehlereinheit gesteuert werden können. Die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrang einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz bei transienten Netzfehlern an zur Verfügung zu stellen, welche auf kostengünstige Weise verschiedene Antriebsstränge unterschiedlicher Leistungsklassen auf ihr elektro-dynamisches Verhalten bei Netzfehlern prüfen kann, wird dadurch gelöst, dass Mittel zum Antreiben des Generators vorgesehen sind, welche mindestens einen Schwungmassenspeicher zum Speichern kinetischer Energie aufweisen und der mindestens eine Schwungmassenspeicher mit dem Generator über eine Antriebswelle koppelbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Überprüfen des elektro- dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung des elektro-dynamischen
Verhaltens eines Antriebsstrang einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz, insbesondere einer Windenergieanlage am Netz bei transienten Netzfehlern, wobei der zu prüfende Antriebsstrang mindestens einen Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung und mindestens einen Umrichter zum Einspeisen der
elektrischen Leistung des Generators in ein elektrisches Netz aufweist, und die Vorrichtung zusätzlich Anschlussmittel zum Anschließen des Umrichters an ein elektrisches Netz aufweist, eine elektrische Last für den Antriebsstrang vorgesehen ist und die Vorrichtung mindestens eine Netzfehlereinheit zur Simulation transienter Netzfehler sowie eine Ablaufsteuerung umfasst, mit welcher zumindest der
Antriebsstrang und die Netzfehlereinheit gesteuert werden können. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Prüfen des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz, insbesondere einer Windenergieanlage am Netz bei transienten Netzfehlern unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Vorrichtungen zur Prüfung des Netzverhaltens von Stromerzeugungseinrichtungen am Netz bei Netzfehlern, insbesondere bei Spannungsschwankungen des Netzes, sogenannte„Test-Benches", sind aus dem Stand der Technik bekannt. So werden beispielsweise Windenergieanlagen nach deren Aufbau vor Ort gründlichen Tests unterzogen, bei welchen auch Spannungsschwankungen, also Spannungseinbrüche oder Spannungserhöhungen des Netzes simuliert werden. Der Aufwand für diese Tests ist enorm, da insbesondere das gesamte Messequipment an beispielsweise schwer zugängliche Orte gebracht werden muss. Treten Vorort Fehler auf, die eine Änderung der Konfiguration der Stromerzeugungseinrichtung notwendig machen, muss ein sehr aufwändiger Umbau oder Änderung der Stromerzeugungseinrichtung Vorort erfolgen. Um den Aufwand für die Prüfung des Verhaltens der Stromerzeugungseinrichtung am Netz zu verringern, werden daher vor dem
Zusammenbau und dem Aufbau von Stromerzeugungseinrichtungen, beispielsweise einer Windenergieanlagen, einzelne Komponenten, insbesondere der Antriebsstrang, der üblicherweise aus mindestens einem Generator und mindestens einem Umrichter besteht, inklusive der zugehörigen Steuereinrichtung auf ihr Verhalten bei
entsprechenden Netzfehlern untersucht und geprüft. Hierzu werden„Test-Benches" verwendet, so dass vor dem Aufbau der Stromerzeugungseinrichtung eine
weitgehende Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs bei Netzfehlern durchgeführt werden kann.
Über die Netzbetreiber werden Vorgaben, die sogenannten„Grid-Codes" für das elektro-dynamische Verhalten der Stromerzeugungseinrichtungen am Netz gemacht, um die Netzstabilität zu gewährleisten. In den„Test-Benches" wird daher vor allem das Einhalten des aus dem jeweiligen Grid-Code abgeleiteten Umrichterverhaltens geprüft. Ein wichtiges Kriterium für Stromerzeugungseinrichtungen ist unter anderem das Verhalten bei kurzeitigen, transienten Spannungsfehlern, also
Spannungseinbrüchen oder Spannungsüberhöhungen. Als transiente Netzfehler werden Spannungsfehler, also Spannungseinbrüche oder Spannungsüberhöhungen mit einer Zeitdauer bis zu circa 3 Sekunden, beispielsweise als einmaliger Fehler, auch als„Einfachfehler" bezeichnet, angesehen. Bei diesen Fehlern soll die
Stromerzeugungseinrichtung netzstabilisierend wirken und nicht vom Netz getrennt werden müssen. Die Stromerzeugungseinrichtung und damit ihr Antriebsstrang müssen also einen„Fault-Ride-Through"-Betrieb entweder also einen„Low Voltage Ride-Through" (LVRT) -Betrieb oder einen„High Voltage Ride-Through"(HVRT)-
Betrieb bei entsprechenden, transienten Netzfehlern gewährleisten. Doppelfehler sind als zwei aufeinanderfolgende Einfachfehler innerhalb einer Zeitdauer von bis zu 20s definiert. Als Mehrfachfehler wird eine Anzahl von 6-10 Einfachfehlern innerhalb einer Zeit von bis zu 6 Minuten definiert. Auch das Verhalten des Umrichters bei Doppel- und Mehrfachfehlern wird üblicherweise in entsprechenden Test-Benches überprüft. Aus dem Stand der Technik sind, wie bereits ausgeführt, Vorrichtungen („Test- Benches") für die Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung bekannt. So wird in dem Aufsatz„Full-Power Converter based test bench for low voltage ride-through testing of wind turbine Converters", R. Pöllänen et. al., Power Electronics and Applications (EPE 2011), "Proceedings of the 2011-14th European Conference on Power Electronics and Applications" eine Vorrichtung vorgestellt, bei welcher der zu untersuchende
Antriebsstrang netzseitig mit einem weiteren Umrichter verbunden ist, welcher seinerseits mit dem Netz an einem Netzverknüpfungspunkt verbunden ist und zur Simulation von Netzfehlern dient. Der Generator des Antriebsstrangs ist mit einem Motor gekoppelt, welcher wiederum über einen Umrichter angesteuert wird. Der mittels des Umrichters angetriebene Motor soll dabei den Rotor der
Windenergieanlage simulieren. Der Antrieb des Motors und damit des Generators erfolgt über einen Umrichter mit einer identischen Leistung wie der zu prüfende
Antriebsstrang selbst, um das Verhalten bei voller Leistungsabgabe prüfen zu können. Dies gilt auch für den netzseitig vorgesehenen Umrichter, welcher zur Einstellung von transienten Netzfehlern dient. Auch hier muss die Größenordnung des Umrichters der Leistung des zu prüfenden Antriebsstrangs entsprechen. Müssen nun Antriebsstränge verschiedener Leistungsklassen überprüft werden, besteht das Problem, dass jeweils zwei zusätzliche Umrichter in der identischen Leistungsklasse vorgesehen werden müssen, was die Kosten zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des
Antriebsstrangs deutlich erhöht. Aus dem europäischen Patent EP 2 458 394 Bl ist darüber hinaus eine Vorrichtung zum Prüfen von Umrichtern beispielsweise einer Windenergieanlage bekannt, bei welcher neben dem zu testenden Umrichter ein weiterer identischer Umrichter benötigt wird, um einerseits Netzfehlerzuständen bereitzustellen und andererseits die vom zu prüfenden Umrichter bereitgestellte Ausgangsleistung erneut für Tests zu nutzen. Auch hier werden für jeden zu prüfenden Antriebsstrang Umrichter mit identischen Größenordnungen benötigt, sodass erneut nicht nur der zu testende Umrichter, sondern auch der Umrichter zur Bereitstellung der elektrischen Leistung für die Tests in ähnlicher Größenordnung ausgetauscht bzw. bereitgestellt werden muss. Hiervon ausgehend hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrang einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz bei transienten Netzfehlern zur
Verfügung zu stellen, welche auf kostengünstige Weise verschiedene Antriebsstränge unterschiedlicher Leistungsklassen auf ihr elektro-dynamisches, Verhalten bei Netzfehlern prüfen kann. Zudem liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein entsprechendes Verfahren zum Prüfen des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs vorzuschlagen.
Die aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung für eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Prüfung des elektro-dynamischen
Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz dadurch gelöst, dass Mittel zum Antreiben des Generators vorgesehen sind, welche mindestens einen Schwungmassenspeicher zum Speichern kinetische Energie aufweisen und der mindestens eine Schwungmassenspeicher mit dem Generator über eine Antriebswelle koppelbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann im Gegensatz zum Stand der Technik auf die Verwendung von Antriebsmitteln für den Generator des zu prüfenden
Antriebsstrangs mit gleicher Leistung verzichtet werden. Es wurde erkannt, dass zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrang einer
Stromerzeugungseinrichtung es ausreicht, über mindestens einen
Schwungmassenspeicher gespeicherte kinetische Energie über einen kurzen Zeitraum dem Generator des Antriebsstrangs zur Verfügung zustellen, um das elektrodynamische Verhalten des Antriebsstrangs zu prüfen. Der Schwungmassenspeicher treibt durch seine kinetische Energie den Generator für den kurzen Zeitraum der transienten Netzfehler weiter an. Das Verhalten des Antriebsstrangs ist insofern ähnlich zu dem einer Windenergieanlage, bei der der Rotor der Windenergieanlage die Energie bereitstellen würde. Damit entfällt die Notwendigkeit, den Antrieb des Generators des zu prüfenden Antriebsstrangs mit einer identischen Leistung auszustatten. Die Mittel zum Antreiben des Generators können mit einer deutlich geringeren Leistung aufgebaut werden und für Antriebsstränge unterschiedlicher Leistungsklassen verwendet werden. Hierdurch werden die Kosten der Vorrichtung deutlich gesenkt. Über die Ablaufsteuerung ist es beispielsweise zudem möglich, den Betrieb einer Windenergieanlage zu simulieren und ein entsprechendes Verhalten des Antriebsstrangs vorzugeben.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
mindestens ein steuerbarer Motor zum Antreiben des mindestens einen
Schwungmassenspeichers über eine Antriebswelle vorgesehen. Der entsprechende, beispielsweise elektrische Motor kann vorzugsweise eine Leistung aufweisen, welche geringer ist als die Generatorleistung und. Die Antriebsleistung des Motors kann beispielsweise nur 10 % bis 30 % der Generatorleistung des zu prüfenden
Antriebsstrangs betragen. Es muss lediglich gewährleistet werden, dass der Motor innerhalb einer adäquaten Zeit im Schleppantrieb den Schwungmassenspeicher auf die gewünschte Drehzahl beschleunigen und mit kinetischer Energie aufladen kann, um anschließend die Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des
Antriebsstrangs durchführen zu können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine Kupplung zur Kopplung des Schwungmassenspeichers mit dem Generator und/oder mit dem mindestens einen Motor auf der Antriebswelle vorgesehen, um den Schwungmassenspeicher möglichst flexibel mit dem Antriebsstrang zu koppeln. Beispielsweise ist es möglich, den Antrieb des Schwungmassenspeichers durch die entsprechend angeordnete Kupplung während der Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens zu trennen und nach Ablauf der Prüfung zur Einstellung der gewünschten Drehzahl erneut zu koppeln. Die Kupplung zwischen Schwungmassenspeicher und Generator kann beispielsweise dazu dienen, um auch während der Prüfung die Abgabe der gespeicherten kinetischen Energie des Schwungmassenspeichers, beispielsweise im Falle eines Fehlers, in den Antriebsstrang zu unterbinden.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt das Verhältnis des Trägheitsmoments des Schwungmassenspeichers (ms) und des
Trägheitsmoments des Generators (mc), also (ms)/(m.G), 0,5 bis 10, bevorzugt 0,8 bis 2. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Verhältnissen der Trägheitsmomente zueinander eine Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs für die üblicherweise durch die Netzbetreiber geforderten Zeiträume sicher bereitgestellt werden kann. Ein zu großes Trägheitsmoment des Schwungmassenspeichers erhöht die Kosten der Vorrichtung und führt auch zu höheren Leistungsanforderungen an die Antriebsmittel. Ein guter Kompromiss wird insofern bei einem Verhältnis von 0,8 bis 2 gesehen. Vorzugsweise ist der Schwungmassenspeicher gemäß einer weiteren Ausgestaltung modular aufgebaut und ermöglicht eine modulare Anpassung des
Energiespeichervermögens des Schwungmassenspeichers, sodass eine einfache Anpassung an die Generatorleistung des zu prüfenden Antriebsstrangs erreicht wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Prüfen des transienten Verhaltens unterschiedlicher Antriebsstränge geeignet. Vorzugsweise weist der Antriebsstrang daher eine doppelt-gespeiste Asynchronmaschine, bei welcher rotorseitig in der Regel ein Umrichter vorgesehen ist oder eine Synchronmaschine mit Vollumrichter auf, wobei die verwendeten Umrichter sowohl als 2-Level oder 3-Level Umrichter ausgeführt sein können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist als elektrische Last mindestens eine aktive elektrische Last am Ausgang des Umrichters des Antriebsstrang vorgesehen, welche den zu prüfenden Antriebsstrang mit bezüglich der einzelnen Phasen symmetrischen oder unsymmetrischen elektrischen Lasten beaufschlagen kann. Aktive elektrische Lasten können über die vorgesehene Ablaufsteuerung auf einfache Weise zugeschaltet und ebenso wieder abgeschaltet werden, beispielsweise sobald der Prüfungszyklus beendet ist. Das elektrodynamische Verhalten des Antriebsstrangs kann insofern auf einfache Weise unter Last geprüft werden.
Ist die aktive elektrische Last als gesteuerte Belastungsschaltung (z.B.„active
Crowbar"), bevorzugt als gesteuerte Belastungsschaltung für jede einzelne Phase ausgebildet, kann eine Beeinflussung des angeschlossenen Netzes gezielt minimiert oder unterdrückt werden, indem die Belastungsschaltung während des Simulierens des Netzfehlers analog zum Netzfehler eine Last zuschaltet. Als gesteuerte
Belastungsschaltung (z.B.„active Crowbar") werden Belastungsschaltungen bezeichnet, bei welchen über einen Leistungsschalter die aktive Last zugeschaltet wird. Aufgrund der kurzen Schaltzyklen kann die Belastung nahezu ohne
Zeitverzögerung zugeschaltet werden. Die zur Spannungsstabilisierung vom
Antriebsstrang abgegebene Wirk- und/oder Blindleistung des Antriebsstrangs kann während des anstehenden Netzfehlers über die zugeschalteten Lasten damit abgebaut werden, so dass eine Einwirkung auf das angeschlossene Netz minimiert oder ausgeschlossen wird. Ist für jede Phase eine entsprechende, aktive Belastungsschaltung vorgesehen, können Rückwirkungen auf das Netz durch die vorgesehenen, gesteuerten
Belastungsschaltungen auch bei der Simulation von unsymmetrischen Netzfehlern minimiert werden. Wird beispielsweise ein unsymmetrischer Netzfehler durch Zuschalten einer Komponente zwischen den Phasen LI und L2 erzeugt, kann auch die Belastungsschaltung zwischen beiden Phasen LI und L2 eine unsymmetrische Last zuschalten, welche dann die abgegebene Wirk- und Blindleistung des Umrichters aufnimmt. Damit sind insbesondere aufwändige Maßnahmen, wie beispielsweise die Bereitstellung eines weiteren Umrichters zur Unterdrückung der Netzrückwirkungen nicht mehr notwendig. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Mittel zur Messung der Blind- und Wirkleistungsabgabe des Antriebstrangs an das elektrische Netz vorgesehen, wobei die Ablaufsteuerung Mittel zur Steuerung der Wirk- und Blindleistungsabgabe des Antriebstrangs an das elektrische Netz aufweist. Vorzugsweise werden über die Mittel zur Steuerung der Wirk- und Blindleistung auch die Belastungsschaltungen entsprechend angesteuert, um die Wirk- und
Blindleistungsabgabe zu regeln. Hierdurch wird einerseits ermöglicht, die Wirk- und Blindleistungsabgabe an das Netz auf einen vorbestimmten Wert, beispielsweise Null zu steuern oder auch durch konkrete Vorgaben für Blind- und Wirkleistung das Verhalten einer Windenergieanlage zu simulieren.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch weiter ausgestaltet werden, dass die Netzfehlereinheit sowohl eine Schaltung zur Simulation von
Spannungseinbrüchen als auch eine Schaltung zur Simulation von
Spannungsüberhöhungen aufweist, sodass typische Tests bei temporären
Spannungseinbrüchen, beispielsweise LVRT-Test oder auch HVRT-Test bei
Spannungsüberhöhungen simuliert und das Verhalten des Antriebsstrang bei diesen transienten Netzfehlern überprüft werden kann. Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Prüfen des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz, insbesondere bei transienten Netzfehlern unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst, dass der Generator des Antriebsstrangs zumindest zeitweise mit mindestens einem
Schwungmassenspeicher über mindestens eine Antriebswelle gekoppelt ist und der mindestens eine Schwungmassenspeicher zumindest zeitweise Rotationsenergie an den Generator überträgt. Durch die zumindest zeitweise Kopplung des Generators des zu prüfenden Antriebsstrangs über eine Antriebswelle mit mindestens einem
Schwungmassenspeicher werden die Antriebsmittel für den Generator des zu prüfenden Antriebsstrangs hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe von der
Leistungsabgabe des Antriebsstrangs entkoppelt. Für Antriebsstränge unterschiedlicher Leistungsklassen müssen daher keine Antriebsmittel identischer Leistung jeweils verwendet werden. Die Kosten für die Prüfung des elektrodynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz können damit deutlich reduziert werden.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
- der Generator und der mindestens eine Schwungmassenspeicher auf die für die gewünschte Leistungsabgabe des Antriebsstrangs erforderliche Drehzahl
beschleunigt,
- über die Netzfehlereinheit ein transiente Netzfehler für eine vorbestimmte Zeitdauer netzseitig am Umrichter eingestellt und - zumindest für die Zeitdauer des Netzfehlers die Blind- und Wirkleistungsabgabe des Antriebsstrang an das Netz über die Ablaufsteuerung auf vorbestimmte Werte, beispielsweise auf den Wert Null, gesteuert.
Bevorzugt erfolgt eine Wirk- und Blindleistungsabgabe an eine elektrische Last, beispielsweise unter Verwendung der Belastungsschaltung, welche entweder fest vorgegeben ist oder nach Erreichen der Drehzahl des Antriebsstrangs zugeschaltet werden kann.
Mit dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird gewährleistet, dass das Netz durch die Prüfungen des elektro-dynamischen Verhaltens der Antriebsstränge nicht oder nur minimal beeinflusst wird.
Die Netzanschlussbedingungen (Grid-Code) sollen das Verhalten von
Stromerzeugungseinrichtungen, beispielsweise Windenergieanlagen, am Netz im Falle von Netzfehlern, also Spannungseinbrüchen oder -Überhöhungen bestimmen.
Insofern kann das erfindungsgemäße Verfahren dadurch vorteilhaft ausgestaltet werden, dass die Zeitdauer des Netzfehlers gemäß der Zeitdauer der zu prüfenden Netzfehler der vorgesehenen Netzanschlussbedingungen eingestellt wird. Durch Einstellen der exakten Netzfehlerdauer für die entsprechenden Tests können die Testszenarien flexible an die Netzanschlussbedingungen angepasst werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert die Ablaufsteuerung die Leistungsabgabe des Antriebstrang während der Tests derart, dass die Leistung im Wesentlichen ausschließlich an die elektrische Last,
beispielsweise der Belastungsschaltung, abgegeben wird und die Wirk- und
Blindleistungsabgabe an das Netz auf Null geregelt wird. Hierdurch besteht die Möglichkeit, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch an eher schwach angebundenen Netzen durchgeführt werden kann, welche aufgrund der nicht vorhandenen Wirk- und Blindleistungsabgabe nicht belastet werden. Bevorzugt werden bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens gesteuerte
Belastungsschaltungen (z.B.„active Crowbar" aus
Überspannungsschutzbeschaltungen), bevorzugt für jede einzelne Phase
Belastungsschaltungen verwendet, um die Wirk- und Blindleistungsabgabe im Wesentlichen ausschließlich in die elektrische Last einzuspeisen. Hierdurch können auch Belastungen zwischen den Phasen, welche bei unsymmetrischen Netzfehlern eingestellt werden, kompensiert werden. Das Vorsehen eines vollständigen
Umrichters, um die Rückwirkungen auf das Netz zu vermeiden, ist nicht notwendig. Mit„im Wesentlichen" ist vorliegend gemeint, dass bis auf durch die Steuerung unvermeidliche Reste Wirk- und/oder Blindleistung nur in die elektrische Last gespeist wird.
Besonders geeignet ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für sogenannte„Low Voltage Ride-Through" (LVRT)-Tests oder "High Voltage Ride- Through"(HVRT) -Tests, da mit diesen das elektro-dynamische Verhalten von Stromerzeugungseinrichtungen am Netz während des Auftretens kurzfristiger, transiente Netzeinbrüche oder -Überhöhungen geprüft werden soll. Üblicherweise werden Spannungseinbrüche bzw. -Überhöhungen für einen Zeitraum von maximal 3 Sekunden, sogenannte Einfachfehler, getestet. Aber auch die Überprüfung von Doppeloder Mehrfachfehlern kann erfindungsgemäß durchgeführt werden. Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Ablauf der Zeitdauer des simulierten Netzfehlers über die Netzfehlereinheit der simulierten Netzfehler aufgehoben und optional die elektrische Last des Antriebsstrangs auf einen vorbestimmte Wert, insbesondere 0, zurückgesetzt. Dies ermöglicht es, den
Antriebsstrang beispielsweise erneut auf die notwendige Drehzahl für die gewünschte Leistungsabgabe für einen erneuten Test zu beschleunigen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während der Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs folgende Schaltzustände durchlaufen:
- Entkoppeln des Umrichters des Antriebsstrang vom Netz durch Zwischenschaltung einer Induktivität pro Phase zwischen den Anschlussmitteln zum Netz und dem Umrichter des Antriebsstrangs, - optionales Zuschalten einer aktiven Last, vorzugsweise unter Verwendung der Belastungsschaltung, für die Leistungsabgabe des Antriebsstrangs,
- Zuschalten von Zusatzkomponenten zwischen einzelnen Phasen zum Zwecke der Simulation eines Netzfehlers durch Spannungsanhebung oder -absenkung,
- Abschalten der Zusatzkomponenten nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer
- optionales Abschalten der aktiven Last und
- Abschalten der Entkopplung des Umrichters des Antriebsstrangs vom Netz. Durch das Entkoppeln des Umrichters des Antriebsstrangs vom Netz durch
Zwischenschaltung einer Induktivität pro Phase wird erreicht, dass beim Einstellen des Netzfehlers zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs eine direkte Einwirkung durch das Netz, beispielsweise durch hohe Netzströme, nicht oder nur in geringem Maße erfolgen kann. Das Zuschalten der Zusatzkomponenten zwischen den einzelnen Phasen verursacht dann den zu simulierenden Netzfehler, welcher aufgrund der Entkopplung lediglich gegenüber dem Antriebsstrang
Auswirkungen zeigt. Die Zusatzkomponenten können durch ein kapazitives Verbinden zweier Phasen untereinander zu einem Anheben der Spannung führen. Auch alle drei Phasen können kapazitiv miteinander verbunden werden, so dass es zu einem gesamten Spannungsanstieg kommt. Werden die Phasen untereinander über
Induktivitäten kurzgeschlossen, kann ein Spannungsabfall simuliert werden, so dass die notwendigen Zustände beispielsweise für einen vorgegebenen LVRT- oder HVRT- Test eingestellt werden können. Mit dem Abschalten der Zusatzkomponenten lässt sich darüber hinaus der Fehler für eine spezifizierte Zeitdauer am Antriebsstrang anlegen, sodass gezielt ein LVRT- oder HVRT-Test durchgeführt werden kann.
Die Erfindung soll im Weiteren anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
Fig. l ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Prüfung des
elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2, 3 zwei Ausführungsbeispiele von unterschiedlichen
Antriebssträngen für Stromerzeugungseinrichtung
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Netzfehlereinheit zur Durchführung von LVRT- und HVRT-Tests, Fig. 5, 6 Schaltskizzen von Ausführungsbeispielen einer Netzfehlereinheit zur Durchführung eines LVRT- oder HVRT-Tests,
Fig. 7 eine Schaltskizze eines Ausführungsbeispiels einer aktiven Last in
Form einer Belastungsschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung,
Fig. 8 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 9 ein schematisches Ablaufdiagramm der Schaltzustände
Ausführungsbeispiels einer Netzfehlereinheit.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens eines Antriebsstrangs einer
Stromerzeugungseinrichtung am Netz weist zunächst einen Antriebsstrang 1 auf, dessen elektro-dynamisches Verhalten am Netz im Falle von transienten Netzfehlern geprüft werden soll. Als transiente Netzfehler werden Netzfehler bezeichnet, welche durch Spannungseinbrüche oder Spannungsüberhöhungen gekennzeichnet sind und welche für eine Dauer bis maximal 3 Sekunden, beispielsweise als Einfachfehler, auftreten.
Die Netzanschlussbedingungen der Netzbetreiber geben für die spezifischen
Netzfehler, aber auch für Doppel- oder Mehrfachfehler das elektro-dynamische Verhalten von Stromerzeugungseinrichtungen, beispielsweise von
Windenergieanlagen vor, sodass die Netzstabilität gewahrt bleibt. Deshalb ist es wichtig die Eigenschaften des Antriebsstrang 1 bestehend aus einem Umrichter 2 und einem Generator 3 einer Stromerzeugungseinrichtung im Hinblick auf das elektrodynamische Verhalten in entsprechenden Fehlersituationen zu prüfen. Hierzu weist die Vorrichtung Anschlussmittel 4 auf, über welche der Umrichter 2 an ein
elektrisches Netz angeschlossen werden kann. Zusätzlich ist zwischen dem Umrichter 2 und den Anschlussmitteln 4 eine elektrische Last 5 vorgesehen, welche hier als aktive und steuerbare elektrische Last in Form einer Belastungsschaltung dargestellt ist. Die elektrische Last dient dazu, die Überprüfung des elektro-dynamischen
Verhaltens des Antriebsstrangs unter Lastbedingungen vornehmen zu können. Die Last 5 kann symmetrisch oder unsymmetrisch sein und beispielsweise exakt auf den eingestellten Netzfehler abgestimmt sein, um die Rückwirkungen auf das Netz zu minimieren. Vorzugsweise wird die Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens ohne Einspeisung von elektrischer Wirk- oder Blindleistung in das Netz durchgeführt, indem die Leistung lediglich in die elektrische Last 5 gespeist wird. Hierzu wird die elektrische Last 5 symmetrisch zum eingestellten Netzfehler geschaltet, so dass die durch den Netzfehler erzeugten Zusatzkomponenten an die elektrische Last abgegeben werden. Bevorzugt ist hierzu die elektrische Last 5 als gesteuerte
Belastungsschaltung für jede einzelne Phase gemäß Fig. 7 ausgebildet, um diese auf einfache Weise zu gewährleisten.
Darüber hinaus ist zwischen dem Umrichter 2 und den Anschlussmitteln 4 eine Netzfehlereinheit 6 vorgesehen, welche Netzfehler simulieren kann, sodass das Verhalten des Antriebsstrang 1 im Falle eines Netzfehlers unter Lastbedingungen geprüft werden kann. Die Ablaufsteuerung 7 kann zumindest den Antriebsstrang 1 und die Netzfehlereinheit 6 während der Prüfung des elektro-dynamischen
Verhaltens des Antriebsstrangs 1 steuern. Zusätzlich kann sie den Betrieb einer Windenergieanlage durch Vorgabe von Sollwerten für Wirk- und Blindleistung simulieren. Durch die Verwendung der elektrischen Last 5 kann unter Verwendung der
Ablaufsteuerung 7 die Wirk- und Blindleistungsabgabe so erfolgen, dass diese im Wesentlichen alleine über die elektrische Last 5 abgeführt wird. Hierdurch wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass die Netzrückwirkungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gering sind. In Fig. 1 sind zusätzlich Mittel zum Antreiben des Generators 3 vorgesehen, welche einen Schwungmassenspeicher 8 zur Speicherung von kinetischer Energie aufweisen. Zusätzlich ist eine Antriebswelle 8a vorgesehen, über welche der
Schwungmassenspeicher 8 mit dem Generator 3 koppelbar ist. Der in Fig. 1
dargestellte Schwungmassenspeicher 8 ist modular aufgebaut und kann in Bezug auf die gespeicherte Leistung modular an die benötigte Leistungsabgabe angepasst werden. Zwischen dem Motor 9 und dem Schwungmassenspeicher 8 ist eine
Kupplung 10 vorgesehen. Der Motor 9 wird von einer Steuerung 11 gesteuert. Die Leistung des Motors 9 und der Steuerung 11 sind durch die Verwendung des
Schwungmassenspeichers 8 nahezu unabhängig von der Größe, d.h. der Leistung des zu testenden Antriebsstrang 1 wählbar. Der Motor 9 muss bei dem Prüfen des elektrodynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs lediglich den Schwungmassenspeicher 8 im Schleppbetrieb in einer adäquaten Zeit auf die notwendige Drehzahl beschleunigen können, sodass im Schwungmassenspeicher 8 die notwendige kinetische Energie zur Durchführung der Prüfung gespeichert ist.
Dadurch, dass der Schwungmassenspeicher 8 über mindestens eine Antriebswelle 8a mit dem Generator 3 koppelbar ist, kann im Testfall die notwendige Antriebsenergie für kurze Zeit, eben exakt für die für den Test vorgesehene Zeitdauer vom
Schwungmassenspeicher 8 bereitgestellt werden. Es ist insofern nicht erforderlich eine Testumgebung aufzubauen, bei welcher zusätzlich Umrichter in identischer Größenordnung wie beim zu testenden Antriebsstrang antriebsseitig vorgesehen sind, wie dies bisher aus dem Stand der Technik bekannt war. Über die Kupplungen 10 und 12, mit welchen der steuerbare Motor 9 mit dem Schwungmassenspeicher 8 sowie der Schwungmassenspeicher 8 mit dem Generator 3 koppelbar ist, besteht die Möglichkeit einerseits den Schwungmassenspeicher 8 vom Generatorbetrieb im Falle eines Problems lösen zu können und so die Energiezufuhr in den Antriebsstrang zu unterbrechen. Darüber hinaus besteht über die Kupplung 10 die Möglichkeit den Schwungmassenspeicher 8 vollständig von der Steuerung des Motors 9 bzw. vom Motor 9 zu entkoppeln. Das Trägheitsmoment des Schwungmassenspeichers 8 beträgt vorzugsweise das 0,5- fache bis 10-fache, besonders bevorzugt das 0,8-fache bis 2-fache des
Trägheitsmoments des Generators 3. Im vorliegenden Fall entspricht das
Trägheitsmoment des Schwungmassenspeichers 8 dem Trägheitsmoment des
Generators 3. Um das Trägheitsmoment des Schwungmassenspeichers variieren zu können, ist es weiter vorteilhaft, wenn der Schwungmassenspeicher 8 modular aufgebaut ist. In diesem Fall kann der Schwungmassenspeicher 8 auch an
Antriebsstränge 1 mit unterschiedlichen Leistungen leicht angepasst werden. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel steuert die Ablaufsteuerung 7 nicht nur den Antrieb 11 des Motors 9, sondern auch sowohl den Umrichter 2, die
Netzfehlereinheit 6 und die aktive Last 5. Zusätzlich sind Mittel 13 zur Messung der Wirk- und Blindleistung am netzseitigen Ausgang des Antriebsstrang 1 vor den Netzanschlussmitteln vorgesehen. Die Ablaufsteuerung 7 kann unter Verwendung der gemessenen Blind- und Wirkleistungswerte die Steuerung der Wirk- und
Blindleistungsabgabe des Antriebsstrang 1 so steuern bzw. regeln, dass lediglich Blind- oder Wirkleistung in die aktive Last 5 eingespeist wird und an den
Netzanschlussmitteln 4 keine Abgabe von Wirk- oder Blindleistung erfolgt. Im
Ergebnis kann während der Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des
Antriebsstrangs 1 möglichst wenig Rückwirkung auf das elektrische Netz am
Anschluss 4 erreicht werden. Dies erlaubt die Durchführung der Prüfung des elektrodynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs 1 einer Stromerzeugungseinrichtung ohne besondere Vorkehrungen hinsichtlich des Netzanschlusses. Als Antriebskonzepte für den Antriebsstrang 1 können sowohl Synchrongeneratoren im Vollumrichterbetrieb oder doppelt gespeiste Asynchronmaschinen verwendet werden. Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Antriebsstrang, bei welchem mit M der Rotor einer Windenergieanlage angedeutet ist und mit SG der permanent erregte
Synchrongenerator bezeichnet ist. Über die drei Phasen 3p wird die gesamte Leistung des Generators über den Umrichter U an das Netz N abgegeben. Die Kombination aus permanent erregtem Synchrongenerator mit Umrichter U stellt den Antriebstrang dar. Fig. 3 zeigt eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine G, bei welcher der Stator der Asynchronmaschine mit dem Netz N direkt verbunden ist und in den Rotor der Asynchronmaschine über einen Umrichter U' Spannungen eingeprägt werden, um die über den Rotor der Windenergieanlage M eingebrachte Energie an das Netz
abzugeben. Auch der Antriebsstrang mit doppelt gespeister Asynchronmaschine kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung geprüft werden. Die Umrichter U, U' können sowohl als 2-Level oder auch als 3-Level Umrichter ausgebildet sein. In Fig. 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Netzfehlereinheit 6 dargestellt, welche eine Entkopplungsvorrichtung 6a zum Entkoppeln der einzelnen Phasen des Umrichters vom Netz sowie eine Schaltung 6b zur Simulation eines
Spannungseinbruchs sowie eine Schaltung 6c zur Simulation einer
Spannungsüberhöhung aufweist. Die in Fig. 4 dargestellte Netzfehlereinheit 6 kann daher sowohl für HVRT- als auch für LVRT-Tests verwendet werden.
Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen
Netzfehlereinheiten 6, welche entweder zur Simulation von Spannungseinbrüchen (Fig. 6) und Spannungserhöhungen (Fig. 5) dienen. Die Netzfehlereinheit 6 kann auch beide Schaltungen aufweisen, um sowohl Spannungseinbrüche als auch
Spannungsüberhöhungen simulieren zu können (Fig.4). Die Funktionsweise der Schaltungen wird im Zusammenhang mit Fig. 9 näher erläutert.
Die aktive Last 5 kann zusätzlich als gesteuerte Belastungsschaltung für jede einzelne Phase ausgebildet sein, wie dies in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 7 dargestellt ist. Durch die extrem kurze Ansprechzeit der gesteuerten Belastungsschaltung gemäß Fig. 7, welche auch als„Active Crowbar" bekannt ist, wird ermöglicht, die Beeinflussung des elektrischen Netzes durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auf ein Minimum zu begrenzen. Die Belastungsschaltung ist, wie in Fig. 7 gezeigt, als identische Schaltung zwischen den einzelnen Phasen zum Netz verbunden, so dass zwischen den einzelnen Phasen, also L1-L2, L1-L3 und L1-L2 jeweils eine identische aktiv gesteuerte Belastungsschaltung vorgesehen ist. Über eine Dioden-Brückenschaltung 17 wird eine Gleichspannung mit bestimmter Spannungswelligkeit erzeugt, welche mittels
Leistungsschalter S mit einem Lastwiderstand 19 verbunden wird. Zur Reduzierung der Spannungswelligkeit des Spannungszwischenkreises wird eine R-C-Beschaltung 18 eingesetzt. Im Falle der Aktivierung der Belastungsschaltung wird der
Leistungsschalter S geschaltet, um die benötigte Verlustleistung im Widerstand zu erzeugen.
Die Fig. 8 zeigt nun in einer schematischen Ansicht die Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zunächst wird gemäß Schritt A der Generator 3 und der mindestens eine
Schwungmassenspeicher 8 auf die erforderliche Drehzahl für die gewünschte
Leistungsabgabe beschleunigt. Ist die gewünschte Drehzahl erreicht, kann die Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs 1 am Netz begonnen werden.
Im Schritt B wird über eine Netzfehlereinheit 6 ein transienter Netzfehler für eine vorbestimmte Zeitdauer netzseitig am Umrichter simuliert bzw. eingestellt, sodass die Steuerung des Umrichters auf den Netzfehler reagieren muss. Die Ablaufsteuerung 7 gibt dabei dem Umrichter 2 die Sollwerte beispielsweise einer
Windenergieanlagensteuerung vor, sodass das elektro-dynamische Verhalten des Antriebsstrang im Falle eines Netzfehler realistisch geprüft werden kann. Zumindest für die Zeitdauer des Netzfehlers wird dabei über den Schwungmassenspeicher 8 kinetische Rotationsenergie dem Generator zugeführt, um den Fehlerzeitraum vollständig durchlaufen zu können. Gleichzeitig kann über die Ablaufsteuerung 7 beispielsweise die Blind- und Wirkleistungsabgabe des Antriebsstrang 1 auf vorbestimmte Werte gesteuert werden, um einen realistischen Betrieb simulieren zu können. Diese vorbestimmten Werte können im Zusammenspiel mit der aktiven Last 5 dazu führen, dass die Wirk- und Blindleistungsabgabe an den Anschlussmitteln zum Netz Null ist. Im Schritt C wird der über die Netzfehlereinheit 6 eingestellte bzw. simulierte
Netzfehler wieder aufgehoben und der Prüfungszyklus beendet. Die Zeitdauer der Netzfehler bei der Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs 1 wird vorzugsweise entsprechend den vorgesehenen Netzanschlussbedingungen eingestellt.
Bevorzugte steuert die Ablaufsteuerung die Abgabe an Wirk- und Blindleistung des Antriebsstrangs 1, sodass die Wirk- und Blindleistungsabgabe an das Netz auf den Wert 0 gesteuert wird und die von dem Antriebsstrang 1 abgegebene Leistung nur über die elektrische Last 5 abgegeben wird. Mit den soeben dargestellten
Verfahrensschritten A, B und C kann vorzugsweise ein LVRT-Test oder HVRT-Test durchgeführt werden, bei welchem der Antriebsstrang 1 im Falle eines kurzen
Spannungseinbruchs oder einer kurzen Spannungsüberhöhung gegen den
Spannungseinbruch oder die Spannungsüberhöhung durch Bereitstellung von Wirk- und Blindleistung gegensteuert und die Zeitdauer des Fehlers ohne Abschalten durchfährt. Der LVRT- oder HVRT-Test ist ein typischer Test, welcher durch die Netzanschlussbedingungen vorgegeben ist und für Antriebe verschiedener
Leistungsklassen zu prüfen ist. Vorzugsweise wird nach Ablauf der Zeitdauer des simulierten Netzfehlers,
beispielsweise im Schritt C, die Netzfehlereinheit den simulierten Netzfehler wieder aufheben und optional die elektrische Last des Umrichters auf einen vorbestimmten Wert, vorzugsweise 0 zurücksetzen. Hierdurch werden die Vorrichtung und der Antriebsstrang auf einen nächsten Test oder eine nächste Überprüfung vorbereitet.
Die Netzfehlereinheit weist vorzugsweise vier unterschiedliche Schaltzustände bei der Simulation von Netzfehlern auf. In einem schematischen Diagramm sind diese in Fig. 9 mit den Schritten a bis d dargestellt. Sie sollen im Weiteren im Zusammenhang mit Fig. 5 und 6 erläutert werden. Gemäß dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel wird zunächst der Umrichter des Antriebsstrangs durch Zwischenschaltung von Induktivitäten pro Phase zwischen Netzanschluss und Umrichter vom Netz entkoppelt. Hierzu wird, wie in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt, der Schalter 14 beispielsweise für jede Phase geöffnet. Hierdurch wird erreicht, dass das Netz nahezu keine Auswirkungen auf die am Antriebsstrang 1 eingestellten Netzfehler hat. Große Netzströme werden dadurch vermieden.
In Schritt b werden Zusatzkomponenten zwischen einzelnen Phasen ausgangsseitig des Umrichters 2 zum Zwecke der Simulation des Netzfehlers zur
Spannungsanhebung oder -absenkung zugeschaltet. Hierzu werden in Fig. 5 entweder alle Schalter 16 jeder Phase für einen symmetrischen Netzfehler oder jeweils zwei der Schalter 16 für einen unsymmetrischen Netzfehler mit Spannungsanhebung geschlossen. In Fig. 6 führt das Schließen zweier oder der drei Schalter 15 zu einem symmetrischen oder unsymmetrischen Spannungseinbruch. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer, welche für den spezifischen Netzfehler zu prüfen ist, werden die Zusatzkomponenten im Schritt c wieder abgeschaltet, in dem die entsprechenden Schalter 15, 16 wieder unterbrochen werden. Schließlich wird im Schritt d die Entkopplung des Antriebsstrangs vom Netzwerk durch Schließen des Schalters 14 in Fig. 5 und 6 aufgehoben, die Belastungsschaltung deaktiviert und die Überprüfung des elektro-dynamischen Verhaltens des Antriebsstrangs beendet.
Wie man anhand der Ausführungen zu den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erkennen kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur antriebsseitig des zu prüfenden Antriebsstrangs, sondern auch am Ausgang des Antriebsstrangs gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen deutliche Vereinfachungen auf, ohne die Testmöglichkeiten für transiente Netzfehler zu beschränken. Damit wird die Überprüfung des elektro-dynamischen Verhaltens von Antriebssträngen von Stromerzeugungseinrichtungen auf kostengünstige Art und Weise ermöglicht. Darüber hinaus können mit der Vorrichtung sowohl
Spannungseinbrüche als auch Spannungsüberhöhungen für die sogenannten„Fault- Ride-Through"-Tests auf einfache Weise durchgeführt werden.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Prüfung des elektro-dynamischen Verhaltens eines
Antriebsstrangs (1) einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz, insbesondere einer Windenergieanlage am Netz bei transienten Netzfehlern, wobei der zu prüfende Antriebsstrang (1) mindestens einen Generator (3) zur Erzeugung elektrischer Leistung und mindestens einen Umrichter (2) zum Einspeisen der elektrischen Leistung des Generators (3) in ein elektrisches Netz aufweist, und die Vorrichtung zusätzlich Anschlussmittel (4) zum Anschließen des Umrichters an ein elektrisches Netz aufweist, eine elektrische Last (5) für den Antriebsstrang (1) vorgesehen ist und die Vorrichtung mindestens eine Netzfehlereinheit (6) zur Simulation transienter Netzfehler sowie eine Ablaufsteuerung (7) umfasst, mit welcher zumindest der Antriebsstrang (1) und die Netzfehlereinheit (6) gesteuert werden können,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel zum Antreiben des Generators (3) vorgesehen sind, welche mindestens einen Schwungmassenspeicher (8) zum Speichern kinetischer Energie aufweisen und der mindestens eine Schwungmassenspeicher (8) mit dem mindestens einen Generator (3) über eine Antriebswelle (8a) koppelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein steuerbarer Motor (9) zum Antreiben des mindestens einen Schwungmassenspeichers (8) über mindestens eine Antriebswelle (8a) vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine Kupplung (10, 12) zur Kopplung des Schwungmassenspeichers (8) mit dem Generator (3) und/oder dem mindestens einen Motor (9) auf der Antriebswelle (8a) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verhältnis des Trägheitsmoments des Schwungmassenspeichers (8) zum Trägheitsmoment des Generators (8) 0,5 bis 10, bevorzugt 0,8 bis 2 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwungmassenspeicher (8) modular aufgebaut ist und eine modulare Anpassung des Energiespeichervermögens des Schwungmassenspeichers (8) ermöglicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Antriebstrang (1) eine doppelt gespeiste Asynchronmaschine oder eine Synchronmaschine mit Vollumrichter aufweist und die verwendeten Umrichter (2) als 2-level oder 3-level Umrichter ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
als elektrische Last (5) mindestens eine aktive elektrische Last am Ausgang des Umrichters (2) des Antriebsstrangs (1) vorgesehen ist, welche den zu prüfenden Antriebsstrang (1) mit bezüglich der einzelnen Phasen symmetrischen und unsymmetrischen elektrischen Lasten beaufschlagen kann. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die aktive elektrische Last (5) als gesteuerte Belastungsschaltung, bevorzugt als gesteuerte Belastungsschaltung für jede einzelne Phase ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
Mittel (13) zur Messung der Blind- und Wirkleistungsabgabe des Antriebstrangs (1) an das elektrische Netz vorgesehen sind, wobei die Ablaufsteuerung (7) Mittel zur Steuerung der Wirk- und Blindleistungsabgabe des Antriebstrangs (1) an das elektrische Netz aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Netzfehlereinheit (6) eine Schaltung zur Simulation von
Spannungseinbrüchen und/oder eine Schaltung zur Simulation von
Spannungserhöhungen aufweist.
Verfahren zum Prüfen des elektro-dynamischen Verhaltens eines
Antriebsstrangs (1) einer Stromerzeugungseinrichtung am Netz, insbesondere einer Windenergieanlage am Netz, bei transienten Netzfehlern unter
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Generator (3) des Antriebsstrangs (1) zumindest zeitweise mit mindestens einem Schwungmassenspeicher (8) über mindestens eine Antriebswelle (8a) gekoppelt ist und der mindestens eine Schwungmassenspeicher (8) zumindest zeitweise Rotationsenergie auf den Generator (3) überträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Generator (3) und der mindestens eine Schwungmassenspeicher (8) auf die erforderliche Drehzahl für die gewünschte Leistungsabgabe beschleunigt wird,
- über die Netzfehlereinheit (6) ein transienter Netzfehler für eine vorbestimmte Zeitdauer netzseitig am Umrichter (2) eingestellt wird und
- zumindest für die Zeitdauer des transienten Netzfehlers die Blind- und
Wirkleistungsabgabe des Antriebsstrangs (1) über die Ablaufsteuerung (7) auf vorbestimmte Werte gesteuert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zeitdauer des Netzfehlers gemäß der Zeitdauer der zu prüfenden Netzfehler der vorgesehenen Netzanschlussbedingungen eingestellt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ablaufsteuerung (7) die Abgabe an Wirk- und Blindleistung des
Antriebsstrangs (1) derart steuert, dass die Leistung im Wesentlichen
ausschließlich in die elektrische Last (5) gespeist wird und die Wirk- und Blindleistungsabgabe an das Netz auf den Wert Null geregelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein„Low-Voltage-Ride-Through"-Test (LVRT) oder ein„High-Voltage-Ride- Through"-Test (HVRT) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach Ablauf der Zeitdauer des simulierten Netzfehlers die Netzfehlereinheit (6) den simulierten Netzfehler wieder aufhebt und optional die elektrische Last (5) des Umrichters auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere Null, zurückgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
während der Prüfung die folgenden Schaltzustände durchlaufen werden:
- Entkoppeln des Umrichters (2) des Antriebsstrangs (1) vom Netz durch Zwischenschalten einer Induktivität pro Phase zwischen den Anschlussmitteln (4) mit dem Netz und dem Umrichter (2),
-Zuschalten von Zusatzkomponenten zwischen einzelnen Phasen zum Zwecke der Simulation eines Netzfehlers durch Spannungsanhebung oder -absenkung,
- Abschalten der Zusatzkomponenten nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit und
- Abschalten der Entkopplung.
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