Polradwinkelgesteuerter Drehstromgenerator mit gleichstromerregter rotorseitiger Drehstromwicklung und leistungsverzweigtem Getriebe für drehzahlvariable Windenergiewandler
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Diese Arbeit befasst sich mit dem synchronen Betrieb von doppeltgespeisten Asynchrongeneratoren (DASG), die vorrangig als Generatoren in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen und zielt auf den Ersatz von elektrisch erregten Synchronmaschinen, die in der betrachteten Anordnung mit einem vorgeschalteten Drehmomentwandler, direkt mit dem Netz gekoppelt sind. D.h. die für Windkraftanlagen der MW-Klasse unverzichtbare Drehzahlvariabilität zur optimalen Anpassung an die Eigenschaften der Strömungscharakteristika von Windturbinen wird verfahrensbedingt auf der mechanischen Seite realisiert. Eine insbesondere für off-shore Anwendungen robuste Möglichkeit bietet der Einsatz eines leistungsverzweigten Getriebes mit hydrodynamischem Drehmomentwandler zur Drehzahlanpassung an einen drehzahlstarren Drehstromgenerator. Durch den Einsatz einer doppeltgespeisten Drehfeldmaschine wird ein wirkungsvoller Eingriff auf das elektromagnetische Drehmoment für kritische Laständerungen und fluktuierenden Energieeintrag geschaffen. Vorgeschlagen und untersucht wurde deshalb eine Asynchronschleifringläufermaschine, auf deren Rotorseite ein Gleichstrom eingespeist wird, dessen Durchflutungszeiger in Betrag und Phase bzgl. des Netzspannungsraumzeigers variabel einstellbar sind. Somit lässt sich aufgrund des Erregerstrombedarfs der Stromrichteraufwand sehr gering halten, da die Leistungseinspeisung ins Netz direkt erfolgen soll, und die Wirk- und Blindleistung entkoppelt steuern. Für den neuartigen Generator sind für zwei Steuerkonfigurationen als Polradwinkel-Dämpfer- /Erregerstrom gesteuerter (PDE) und als Frequenz-Spannungsgeregelter (FU) Generator mit unterlagerter Wirk- und Blindstromkomponente das Betriebsverhalten, die Stabilität sowie das Verhalten bei plötzlichen Netzspannungseinbruch untersucht wurden. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl Drehmomentschwingungen als auch Rotorüberströme bei Spannungsfehlern (einpolig und zweipolig) mit angepassten Sollwertvorgaben begrenzt werden können und damit beherrschbar werden. Die Lieferung von Wirk- und Blindleistung nach Grid-Code Vorgaben ist ebenfalls realisierbar. Die Arbeiten wurden durch Simulationen und experimentelle Erprobung an einem 4 kW-Versuchsstand bestätigt und teilweise für einen 1.5 MW WEA-Prototyp in der Simulation nachgerechnet. Die Arbeiten zur Regelung wurden praktisch anhand eines 4 kW-Versuchsstandes nachvollzogen. Es bleibt zu überprüfen, inwiefern die Erkenntnisse auf Maschinen im MW-Bereich übertragbar sind. Zuvor sollte die Verkopplung innerhalb der Reglerstruktur tiefer analysiert werden, um das beobachtete Überschwingen bei Drehmomentschwankungen einzudämmen. Ähnliches gilt für die zu erwartende zusätzliche Erwärmung der Stromventile. Besonders transiente Vorgänge hängen stark von der jeweiligen konstruktiven Beschaffenheit der Wechselrichtermodule ab, genauer gesagt von der Verteilung der Wärmekapazitäten und dem Wärmeabgabevermögen durch die Kühlung. Von besonderer Bedeutung ist das transiente thermische Verhalten bei Spannungseinbruch, da dieser Fehlerfall große Rotorströme und somit Verluste nach sich zieht. Hierbei besteht die Schwierigkeit, dass Dauer und Intensität des Spannungseinbruches vom Netzbetreiber festgelegt sind. Daher muss eine thermische Dimensionierung auch die jeweiligen Netzanschlussbedingungen (Grid Codes) des Zielmarktes berücksichtigen, wenn Einspareffekte bei der Stromrichterauslegung zur Einspeisung des Erregergleichstroms ausgenutzt werden sollen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of Doubly-Fed Induction Generator Drives Behaviour at Synchronous Operating Point in Wind Turbines. EPE 2009, Barcelona
M. Bruns, B. Rabelo, W. Hofmann
- Untersuchung des synchronen Betriebs doppeltgespeister Drehstrom-Asynchrongeneratoren. Fachbericht 119, S. 135-141, Internationaler ETG Kongress 2009, Düsseldorf
B. Rabelo, W. Hofmann
- Doubly-fed Induction Generator Drives for Wind Power Plants. In: Wind Power (Eds. Muyeen), S. 113-140, ISBN 978-953-7619-81-7. Vukovar: Intech, 2010
B. Rabelo; W. Hofmann
