DE10114075A1 - Stromrichterschaltungsanordnung für Generatoren mit dynamisch veränderlicher Leistungsabgabe - Google Patents

Stromrichterschaltungsanordnung für Generatoren mit dynamisch veränderlicher Leistungsabgabe

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Stromrichterschaltung für Windkraftanlagen zur Speisung eines Hochspannungsnetzes. Das System besteht aus einer Gleichrichterschaltungsanordnung 2 zur Umformung des im Wechselspannungsgenerator 1 erzeugten Wechselstroms in einen Gleichstrom, einer Gleichstromverbindung 3 von der Gleichrichterschaltungsanordnung zu einem Stromrichter, einem Mittelspannungstransformator 5 sowie einer übergeordneten Steuerung. Die Energie wird durch einen Mittelspannungswechselstromgenerator 1 mit zeitlich variierender Drehzahl erzeugt, mit daraus resultierender zeitlich variierender Frequenz, Spannung und Leistung. Der Stromrichter selbst besteht aus einer kaskadierten, seriellen Anordnung mehrerer Stromrichterzellen 4. Diese Stromrichterzellen 4 werden von der übergeordneten Steuerung abhängig von der vom Wechselspannungsgenerator 1 abgegebenen Leistung dynamisch aktiv oder inaktiv geschaltet, wobei jede Phase jeder Stromrichterzelle 4 eine primärseitige Wicklung 51, 52, 53 des Mittelspannungstransformators 5 versorgt.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Stromrichterschaltungsanordnung für den Einsatz als Wandler zwischen einem Generator mit dynamisch variierender Ausgangsleistung und einem Mittelspannungsstromnetz. Derartige dynamisch variierende Ausgangsleistungen treten beispielhaft bei Windenergieanlagen auf, da hier die abgegebene Leistung abhängig von der Windgeschwindigkeit ist. Die erzeugten Ströme werden typischerweise in Stromnetze mit bis zu einigen 10 kV Spannung und Frequenzen von 50 Hz oder 60 Hz eingespeist.
Der Stand der Technik bei Anwendung wie Windenergieanlagen mit zeitlich variierender dynamischer Leistungsabgabe der Strom erzeugenden Generatoren wird gebildet durch folgenden Technologien.
Für Leistungen der Stromerzeugung bis ca. 1 MW finden Generatoren mit Spannungen bis 690 V Einsatz, damit liegt die Spannung im Zwischenkreis bzw. in der Gleichstromverbindung zum Stromrichter bei ca. 1100 V. In den zugehörigen Stromrichterschaltungen werden häufig IGBTs (insulated gate bipolar transistor) der Spannungsklassen 1200 V bzw. 1700 V als Leistungsschalter eingesetzt. Für höhere Leistungen sind diese Zwischenkreisspannungen von 1100 V allerdings zu gering, da sich hier die Verluste, z. B. in den Verbindungsleitungen überproportional erhöhen.
Daher werden bei Stromerzeugung mit Leistungen ab ca. 1 MW Mittelspannungsgeneratoren der genormten Spannungsklassen von 2,2 kV, 3,3 kV, 4,16 kV und 6,3 kV eingesetzt. Die hohen daraus resultierenden Zwischenkreisspannungen bedingen hochsperrende Leistungsschalter wie IGBT oder IGCT (integrated gate commutated thyristor). Diese hochsperrenden Varianten weisen allerdings den Nachteil auf, dass die Schaltverluste um den Faktor 3 bis 10 über denen der Standardvarianten liegen.
Als Generatoren werden für die vorgenannten Technologien Asynchronmaschinen verwendet. Diese robusten Generatoren bedingen allerdings Vier-Quadranten-Umrichter für ihren Einsatz, wie sie beispielhaft in der DE 198 32 225 A1 und DE 198 32 226 A1 beschrieben wurden, da diese Generatoren zur Erregung einen Eingangsstrom benötigen, der über den Vier-Quadranten-Umrichter eingespeist und geregelt wird.
Zum Stand der Technik zählen weiterhin Stromerzeugungen mit Synchronmaschinen als Generatoren. Beispielhaft werden bei den hier bekannten Stromerzeugungen die gleichgerichteten Ausgangsspannungen mehrerer Generatoren mit einer gemeinsamen Stromrichterschaltung verbunden. Hierbei finden, mittels Transformatoren und nachgeschalteten Gleichrichtern erzeugte, Gleichspannungen in den Verbindungen zu den Stromrichtern Verwendung, die in der Größenordnung von 100 kV liegen, da hier die Leitungsverluste gering sind. Als Leistungsschalter finden hier eine große Zahl von in Reihe geschalteten hochsperrenden IGBTs oder IGCTs Verwendung. Die hohe Zwischenkreisspannung hat allerdings den Nachteil, dass sich bei derartigen Zwischenkreisspannungen und relativ langsamen Schaltzeiten von typischerweise 1 µs Momentanwerte der Spannungänderung von 100 kV/µs ergeben. Damit derart hohe Werte der Spannungsänderung nicht zu Zerstörungen der Spulen, wie sie sich im Generator und Transformator befinden, führen müssen zusätzliche passive LC-Glieder als Filter integriert werden. All diese Anforderungen erhöhen den Aufwand und somit auch die Kosten derartiger Stromerzeugungen. Zudem sind diese vorgenannten Stromrichterschaltungen nicht flexibel an Generatoren unterschiedlicher Spannungs- und Leitungsklassen anpassbar.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung nur einer Stromrichterschaltung für mehrere dynamisch in ihrer Leistungsabgabe arbeitende Generatoren liegt darin begründet, dass diese bedingt durch ihre konstante Erregung nicht mit identischer Drehzahl und damit auch nicht mit identischer Ausgangsspannung arbeiten. Daher werden verschiedene Arten von Regelmechanismen eingesetzt, denen alle ein Steigerung der Verluste in der Stromerzeugung zu eigen ist.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe eine hohe Qualität der Netzspannung erzeugende, bereits bei geringen Ausgangsleistungen und über den gesamten Leistungsbereich mit hohem Wirkungsgrad zuverlässig arbeitende Stromrichterschaltung vorzustellen, die die zeitlich variable Ausgangsleistung eines stromerzeugenden Mittelspannungsgenerators in ein Hochspannungsnetz einspeist, wobei die variable Ausgangsleistung begründet ist in einer variablen Drehzahl des Generators, die direkt zu einer variablen Ausgangsspannung und auch zu einer variablen Ausgangsfrequenz führt; weiterhin soll die Stromrichterschaltungsanordnung für unterschiedlich hohe Leistungen von Generatoren leicht anzupassen sein, sowie tolerant gegenüber dem Ausfall einzelner Leistungsschalter sein, wobei dies nicht zum Ausfall oder zur Leistungsminderung der Stromerzeugung führen darf.
Die Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen. Eine Stromerzeugung der erfinderischen Ausgestaltung besteht aus folgenden wesentlichen Komponenten:
  • - Einem Mittelspannungsgenerator, vorzugsweise einer permanent erregten Synchronmaschine.
  • - Einer Gleichrichterschaltungsanordnung zur Umformung des im Generator erzeugten Wechselstrom in einen Gleichstrom im Mittelspannungsbereich.
  • - Einer Gleichstromverbindung im Mittelspannungsbereich von der Gleichrichterschaltungsanordnung zu
  • - einem Stromrichter aufgebaut aus einer kaskadierten, seriellen Anordnung erfinderischer Stromrichterzellen.
  • - Einem Hochspannungstransformator zur Transformation der Ausgangsspannungen der Stromrichterzellen in die geforderte Spannung des Stromnetzes.
  • - Einer unabhängigen Steuerung jeder einzelnen Stromrichterzelle.
  • - Einer übergeordneten Steuerung.
Der Generator erzeugt aufgrund seiner zeitlich dynamischen Leistungsabgabe eine Wechselspannung Ugen zwischen 0 V und einigen wenigen 10 kV. Dabei variiert die Frequenz der abgegebenen Spannung zwischen 0 Hz und einem durch die Bauart des Generator gegebenen Maximalwert Fmax. Ebenso schwankt die abgegebene Leistung zwischen 0 W und Wmax, wobei Wmax vorzugsweise mindestens 3 MW betragen soll.
Die direkt nachgeschaltete Gleichrichterschaltungsanordnung erzeugt hieraus eine Gleichspannung zwischen 0 V und ca. 1,35 × Ugen. Als Bauelemente für diese Gleichrichterschaltungsanordnung kommen nach dem Stand der Technik vorzugsweise Dioden oder Thyristoren zum Einsatz. Wobei Thyristoren den Vorteil aufweisen, die Gleichspannungsübertragungsleitungen im Fall einer Störung vom Generator abkoppeln zu können.
Die nachfolgende Gleichspannungsleitung verbindet die Gleichrichterschaltungsanordnung mit dem Stromrichter. Dieser besteht in seiner erfinderischen Ausgestaltung aus einer kaskadierten, seriellen Anordnung von erfinderischen "Stromrichterzellen", wobei jede dieser Stromrichterzellen ihrerseits aufgebaut ist aus:
  • - Einem Überbrückungsschalter zur Überbrückung bzw. Abschaltung der Stromrichterzelle;
  • - Einer Eingangsdiode;
  • - Mindestens einem Zwischenkreiskondensator;
  • - Einer mindestens einphasigen Brückenschaltung, vorzugsweise einer 3-Phasen- Brückenschaltung, für jede Phase bestehend aus je einem Leistungsschalter in TOP- sowie einem in BOT-Position mit jeweils mindestens einer parallel geschalteten Freilaufdiode. Jeder der Leistungsschalter besteht seinerseits vorzugsweise aus einer Parallelschaltung mehrerer Leistungstransistoren vorzugsweise IGBTs der Standardtypen, da diese gegenüber hochsperrenden Varianten geringere Verluste im Betrieb aufweisen;
  • - Einer Netzdrossel pro Phase;
  • - Je Phase einer Primärwicklung des Mittelspannungstransformators.
Die für einen Stromrichter gegebener Maximalleistung mindestens erforderliche Anzahl von Stromrichterzellen ergibt sich direkt durch Division der maximalen vom Generator mit nachgeschalteter Gleichrichterschaltung erzeugten Gleichspannung mit der maximalen Zwischenkreisspannung einer Stromrichterzelle. Eine höhere als diese minimale Anzahl von Stromrichterzellen führt zu einer Redundanz innerhalb des Stromrichters, deren Nutzen im weiteren noch beschrieben wird.
Im folgenden wird die erfinderische Verwendung der Stromrichterzellen beschrieben. Die für eine effiziente Stromerzeugung minimale Leistung bestimmt sich aus der Zwischenkreisspannung einer einzelnen Stromrichterzelle.
Die übergeordnete Steuerung wird bei einer Zwischenkreisspannung kleiner oder gleich der maximalen Zwischenkreisspannung Uz,max einer Stromrichterzelle nur eine beliebige Stromrichterzelle verwenden, alle anderen Stromrichterzellen sind mittels ihres Überbrückungsschalters überbrückt und somit nicht aktiv. Die gesamte Schaltungsanordnung arbeitet nun wie eine 3-Phasen-Brückenschaltung mit Eingangsgleichrichter nach dem Stand der Technik.
Eine Erhöhung der Drehzahl des Generators führt zu einer Erhöhung der Generatorspannung sowie der gleichgerichteten Übertragungsgleichspannung. Sobald diese den Maximalwert der Zwischenkreisspannung einer Stromrichterzelle überschritten hat, wird durch die übergeordnete Steuereinheit eine weitere Stromrichterzelle zugeschaltet. Es sind nun zwei Stromrichterzellen aktiv, wobei die Spannung zu gleichen Teilen auf diese aufgeteilt ist und beide wieder in ihrem idealen Arbeitsbereich arbeiten können. Alle weiteren Zellen sind mittels ihrer Überbrückungsschalter überbrückt und inaktiv. Die übergeordnete Steuerung kann in diesem Betriebszustand aus allen Stromrichterzellen zwei beliebige auswählen. Dies Auswahl ist dynamisch, d. h. es kann auch bei konstanter Eingangsleistung, d. h. konstanter Zwischenkreisspannung, dynamisch zwischen verschiedenen Gruppen (hier Zweiergruppen) von aktiven Stromrichterzellen umgeschaltet werden. Dies kann nach einem festen Rhythmus oder aber abhängig von verschieden Parametern, wie beispielhaft der Temperatur der Leistungsschalter, erfolgen.
Eine weitere Erhöhung der Drehzahl des Generators führt zu einer weiteren Erhöhung der Übertragungsgleichspannung. Sobald diese einen durch die Summe der Zwischenkreisspannungen aller aktiven Stromrichterzellen gebildeten Wert überschreitet wird durch die übergeordnete Steuereinheit eine weitere Stromrichterzelle zugeschaltet. Dieses Verfahren wird bis zum Erreichen der Maximalleistung fortgeführt.
Selbstverständlich wird ein analoges Verfahren zur Reduzierung der aktiven Stromrichterzellen angewandt. Dies führt bei zeitlich dynamischem Verhalten der Leistungsabgabe des Generators zu einer zeitlich dynamischen Anzahl von aktiven bzw. passiven, d. h. überbrückten Stromrichterzellen. Die übergeordnete Steuerung kann in jedem Betriebszustand, bei jeder Übertragungsgleichspannung aus allen Stromrichterzellen die benötigte Anzahl beliebig auswählen. Dies Auswahl ist dynamisch, d. h. es kann sowohl bei variierender Eingangsleistung bzw. Zwischenkreisspannung als auch bei konstanter Eingangsleistung bzw. Zwischenkreisspannung, dynamisch zwischen verschiedenen Gruppen von aktiven Stromrichterzellen umgeschaltet werden.
Bei Betrieb des Stromrichters im Leistungsbereich unterhalb der Nennleistung sind nicht alle Stromrichterzellen aktiv. Auch bei redundant aufgebauten Stromrichtern mit einer höheren Anzahl an Stromrichterzellen als zum Betrieb notwendig weist der Stromrichter inaktive Stromrichterzellen auf. Diese Stromrichterzellen können während der Zeiten in denen sie nicht als Stromrichterzellen betrieben werden dem Stromnetz Blindleistung zur Verfügung stellen.
Nachfolgend wird der erfinderische Gedanke anhand der Fig. 1 beispielhaft erläutert.
Fig. 1 zeigt eine 6 MW Windkraftanlage bestehend aus
  • - Einer permanent erregtem Synchronmaschine 1 als Generator mit einer maximalen Ausgangsspannung von 6,6 kV.
  • - Einem direkt daran angeschlossenem Brückengleichrichter 2
  • - Einer Verbindungleitung 3 der Übertragungsgleichspannung zu einem Stromrichter bestehend aus den erfinderischen Stromrichterzellen 4
  • - Einem Hochspannungstransformator 5 zur Speisung eines 35 kV Hochspannungsnetzes.
Derartige Windenergieanlagen können beispielsweise als Windenergieanlagenpark in Küstengebieten zur Stromerzeugung eingesetzt werden. Typisch für diesen Einsatz ist die variable Drehzahl des Generators bedingt durch die Variation der Windgeschwindigkeiten. Die erfinderische Stromrichterschaltung gestattet eine Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad und geringem mechanischen Aufwand zwischen einer minimalen und einer maximalen Windgeschwindigkeit beides durch die mechanischen Randbedingungen der Windenergieanlage vorgegebenen.
Die durch den Generator 1 und die nachgeschaltete Gleichrichterschaltungsanordnung 2 erzeugte maximale Übertragungsgleichspannung von ca. 9 kV ist mittels einer Gleichspannungsleitung 3 mit den kaskadierten, seriell verschaltenen Stromrichterzellen 4 verbunden. Beim Einsatz von 1700 V IGBTs als Leistungstranistoren mit einer typischen Zwischenkreisspannung der Stromrichterzelle von 1080 V werden zehn Stromrichterzellen zur Umwandlung der Übertragungsgleichspannung ein 1- oder 3-Phasenwechselspannung benötigt, die ihrerseits mittels eines Transformators Energie in das Hochspannungsnetz (50 Hz oder 60 Hz) einspeisen. Hierbei ist noch keine Redundanz zum Ersatz einer defekten Stromrichterzelle durch eine andere berücksichtigt. Jede weitere Stromrichterzelle jenseits der zehn Stromrichterzellen kann dazu verwendet werden im Falle eines Ausfalls einer Stromrichterzelle die vollständige Funktion der Stromerzeugung ohne Leistungsverringerung sicher zu stellen.
Jede Stromrichterzelle 4 besteht aus
  • - Einer parasitären Induktivität 41 der Verbindungsleitung
  • - Einem Überbrückungsschalter 43 zur Überbrückung der Stromrichterzelle
  • - Einer Eingangsdiode 42
  • - Mindestens einem Zwischenkreiskondensator 44
  • - Einer 3-Phasen-Brückenschaltung, für jede Phase bestehend aus je einem Leistungsschalter in TOP-451 sowie einem in BOT-453 Position mit jeweils mindestens einer parallel geschalteter Freilaufdiode 452, 454. Jeder der Leistungsschalter 451, 453 besteht seinerseits aus einer Parallelschaltung mehrerer Leistungstransistoren.
Beginnend bei einer minimalen Verbindungsgleichspannung Uz,min bis hin zu einer Verbindungsgleichspannung gleich der maximalen Zwischenkreisbetriebsspannung Uz,max einer Stromrichterzelle von 1200 V wird durch die übergeordnete Steuerung, der die Zwischenkreisspannung bekannt ist nur ein Zelle aktiv geschaltet, alle weiteren Zellen sind mittels ihres Überbrückungsschalters 43 überbrückt und somit nicht aktiv. Die gesamte Spannung des Zwischenkreises fällt über der einzigen aktiven Stromrichterzelle ab. Das durch die zelleneigene Steuerung geregelte Ausgangssignal wird in den drei dieser Stromrichterzelle zugeordneten Primärwicklungen 51, 52, 53 des Mittelspannungstransformators 5 auf die entsprechenden Sekundärwicklungen 54, 55, 56 übertragen.
Die übergeordnete Steuerung wird bei konstanter Zwischenkreisspannung alle Stromrichterzellen zyklisch aktiv schalten, um ein gleichmäßige Auslastung und damit eine gleiche Lebensdauer aller Stromrichterzellen zu gewährleisten.
Beim Anstieg der Verbindungsgleichspannung über 1200 V werden durch die übergeordnete Ansteuerung zwei Stromrichterzellen aktiv geschaltet. Die Zwischenkreisspannung fällt nun jeweils zur Hälfte über die beiden Stromrichterzellen ab. Auch in diesem Betriebszustand mit zwei aktiven Zellen werden zyklisch verschiedene Zellenpaare aktiv geschaltet um eine gleichmäßige Belastung aller Stromrichterzellen sicher zu stellen.
Allgemein wird ein Anstieg oder eine Verringerung der Zwischenkreisspannung durch die übergeordnete Steuerung erkannt und weitere Stromrichterzelle aktiv oder bei einer Verringerung inaktiv geschaltet. Somit wird die Zwischenkreisspannung immer über der geeigneten Anzahl von Stromrichterzellen abfallen. Die zyklische Ansteuerung verschiedener Zellengruppen bzw. Einzelzellen wird auch bei zeitlich variierenden Zwischenkreisspannungen aufrecht erhalten.

Claims (10)

1. Stromrichterschaltung bestehend aus einer Gleichrichterschaltungsanordnung 2 zur Umformung des im Wechselspannungsgenerator 1 erzeugten Wechselstromes in einen Gleichstrom, einer Gleichstromverbindung 3 von der Gleichrichterschaltungsanordnung zu einem Stromrichter, einem Mittelspannungstransformator 5 sowie einer übergeordneten Steuerung, zur Speisung eines Hochspannungsnetzes, wobei die Leistung erzeugt wird durch einen Mittelspannungswechselstromgenerator 1 mit zeitlich variierender Drehzahl, daraus resultierend zeitlich variierender Frequenz, Spannung und Leistung dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter aus einer kaskadierten, seriellen Anordnung mehrerer Stromrichterzellen 4 aufgebaut ist, diese Stromrichterzellen 4 von einer übergeordneten Steuerung abhängig von der vom Wechselspannungsgenerator 1 abgegebenen Leistung dynamisch aktiv oder inaktiv geschaltet werden sowie jede Phase jeder Stromrichterzelle 4 eine primärseitige Wicklung 51, 52, 53 des Mittelspannungstransformators 5 versorgt.
2. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsgenerator 1 ausgebildet ist als eine Synchronmaschine mit Rotor-Feld-Steuerung oder Permanentmagneten.
3. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromrichterzelle 4 aufgebaut ist aus einem Überbrückungsschalter 43 zur Überbrückung bzw. Abschaltung der Stromrichterzelle, einer Eingangsdiode 42, mindestens einem Zwischenkreiskondensator 44, einer mindestens 1-. vorzugsweise 3- Phasen-Brückenschaltung sowie pro Phase je einer Drosselspule 455 sowie einer Primärwicklung 51, 52, 53 des Mittelspannungstransformators.
4. Stromrichterschaltung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass jede Phase der Stromrichterzelle besteht aus je einem Leistungsschalter in TOP-451 sowie einem in BOT-453 Position mit jeweils mindestens einer parallel geschalteten Freilaufdiode 452, 454 wobei jeder der Leistungsschalter seinerseits aus einem oder einer Parallelschaltung mehrerer Leistungstransistoren besteht.
5. Stromrichterschaltung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungstransistoren aus IGBTs (insulated gate bipolar transistor) bestehen.
6. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal jeder aktiven Stromrichterzelle durch eine eigenen Steuerschaltung überwacht und geregelt wird.
7. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Steuerung die aktiven Stromrichterzellen nach einem festen Rhythmus und/oder abhängig von mindestens einem gemessenen und/oder errechnetem Parameter zyklisch aktiv bzw. inaktiv schaltet.
8. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine um N höhere Anzahl von Stromrichterzellen als abhängig von der Generatorleistung erforderlich die Funktion der Stromrichterschaltung trotz Ausfall von N Stromrichterzellen ohne Leistungsverlust kompensiert werden kann.
9. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichterschaltung durch Veränderung der Anzahl von Stromrichterzellen 4 an unterschiedliche Generatorleistungsklassen angepaßt werden kann.
10. Stromrichterschaltung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass im Teillastbetrieb dem Mittelspannungsnetz Blindleistung zur Verfügung gestellt werden kann.
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