Regelung von doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren mit Umrichter im Rotorzweig bei Netzsymmetrien und Netzfehlern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, neue Verfahren zur Regelung doppelt gespeister Asynchrongeneratoren und des netzseitigen Wechselrichters im Rotorzweig zu entwickeln, die es ermöglichen, den geregelten Betrieb des Asynchrongenerators auch bei Netzstörungen aufrecht zu erhalten. Die Untersuchung der Wechselwirkungen des Umrichter‐Generatorsystems mit dem Netz wurde zunächst mit Matlab‐ Simulink durchgeführt. Für die Simulation ist ein detailliertes, modulares Matlab‐Simulink Modell entwickelt worden. Hauptbestandteile dieses Simulationsmodells sind das elektromagnetische Modell eines doppeltgespeisten Asynchrongenerators (DASG), das Modell eines Frequenzumrichters inkl. Netz‐ und Laststufe, die Modellierung einer Netzanschlussleitung und eines Transformators, sowie ein Netzmodell. Das Gesamtmodell ist modular aufgebaut. Dadurch besteht die Möglichkeit, je nach Simulationsziel unterschiedliche Detaillierungsgrade für einzelne Teilmodelle zu wählen. Von besonderer Bedeutung ist dabei das Generatormodell. Im Zuge der Forschungsarbeiten zeigte sich, dass eine Orientierung auf den Hauptfluss, in Gegensatz zur üblichen Orientierung auf den Statorfluss, vorteilhaft ist, da eine Trennung der Parameter für Sättigung und Skineffekte möglich wird. Für das Leitungsmodell mussten mit erheblichem Zeitaufwand eigene Modellbeschreibungen gefunden werden, die kompatibel zum Gesamtmodell sind. Mit dem Modell lässt sich sowohl eine Freileitung als auch eine Kabelleitung nachbilden. Weiterhin gelang es, im Rahmen des Projekts ein Transformatormodell aufzubauen, welches mit dem Gesamtmodell kompatibel ist. Auch hier stieg mit zunehmender Komplexität des Modells die notwendige Rechenleistung sehr stark an. Die wesentlichen Effekte bis ca. 1 kHz Signalfrequenz werden jedoch durch das Modell abgebildet. Da das entstandene Gesamtmodell sehr komplex ist, musste ein erheblicher Aufwand betrieben werden, um die Parameter der Simulationssoftware zu optimieren und eine Kopplung der einzelnen Teilmodelle zu ermöglichen. Die durch den hohen Detaillierungsgrad des modularen Modells notwendige Rechenleistung bei der Simulation rechtfertigt den betriebenen Aufwand, um die Simulation möglichst stabil lauffähig zu machen. Für die Umsetzung der theoretischen Ergebnisse wurde am IALB ein Prüfstand mit einem 22kW DASG realisiert, für den ebenfalls eine reale Leitungsnachbildung aufgebaut wurde. Die Regelung des Generator‐Umrichtersystems wurde simulatorisch untersucht. Damit eine gezielte Beeinflussung dieses Systems möglich ist, muss zuerst sichergestellt werden, dass die Auswirkungen des Netzfehlers nicht zu einer Beschädigung bzw. Schutzabschaltung des Umrichters führen. Die Untersuchungen des Verhaltens der doppelt gespeisten Asynchronmaschine ergaben bei Netzkurzschlüssen ein Auftreten der Differenz zwischen Vielfachen der Ständerfrequenz (n ωS) und Dreh‐Frequenz (ω) neben der stets vorhandenen Schlupffrequenz (ωR) im Rotorstrom. Anschließend wurden entsprechende Messungen am Laborprüfstand umgesetzt. Mit den gegebenen Möglichkeiten konnte ein Spannungseinbruch sowohl einphasig als auch mehrphasig mit einer Flankendynamik von 15ms generiert werden. Aufgrund dieser geringen Dynamik waren die Effekte in den Messungen weniger stark ausgeprägt. Ein Vergleich der Messung mit Simulation mit entsprechend langsamerer Dynamik zeigt eine gute Übereinstimmung des Verhaltens des elektrischen Modells mit dem des DASG im Prüffeld. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde eine flexible Regelung entwickelt, um die im Fehlerfall auftretenden Überströme zu begrenzen. Grundidee dieser Regelung ist es, die im Fehlerfall zusätzlich auftretenden Frequenzanteile im Gesamtsystem schnell genug zu dämpfen. Dadurch bleibt der Rotorstrom unterhalb der maximalen Stromgrenze des Umrichters und das System bleibt regelbar. Ein wesentlicher Punkt des Verfahrens ist die gezielte Transformation der Rotorströme. Die Regelung zeigt in der Simulation gute Erfolge. Damit wurde eine zwingend notwendige Voraussetzung geschaffen, um weitere regelungstechnische Eingriffe z.B. Netzstabilisierung nutzen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Modeling of a Doubly Fed Induction Machine Considering Iron Saturation and Skin Effect, PCIM 2012, Nuremberg
G. Tisborn, C. Mehler, B. Orlik
- Advanced Modeling of a Doubly Fed Induction Generator with open Stator for soft Grid Synchronization, EPE 2013, Lille
C. Mehler, G.Tisborn, B. Orlik
- Verhalten von doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren bei Netz‐ störungen, Dresdner Maschinenelemente Kolloquium 2013, Dresden
C. Mehler, G.Tisborn, B. Orlik
- Behaviour and control of doubly fed induction generators in wind turbines during grid faults, IWEC 2014, Hannover
G.Tisborn, M. Joost, B. Orlik
