DE102005053685A1

DE102005053685A1 - Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie

Info

Publication number: DE102005053685A1
Application number: DE102005053685A
Authority: DE
Inventors: Seiki Igarashi; Yoshiyuki Uchida; Ryuichi Shimada
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2006-06-22
Also published as: US20060114696A1; JP2006141162A; US7433212B2; JP4858937B2

Abstract

Eine Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie wird zur Verfügung gestellt, die kleiner und effizienter gemacht werden kann. Die Systemverbindungsvorrichtung ist zum Verbinden eines elektrischen Energiesystems mit einem Ausgang eines Energiegenerators über einen Verbindungsinverter (PWM-Inverter) beabsichtigt. Die Systemverbindungsvorrichtung enthält eine Regenerationsschaltung für magnetische Energie, einen Diodengleichrichter und einen Kondensator. Die Regenerationsschaltung für magnetische Energie hat einen Kondensator zum Kondensieren von magnetischer Energie, die im Energiegenerator kondensiert ist. Der Diodengleichrichter ist mit der Regenerationsschaltung für magnetische Energie verbunden und arbeitet, um durch den Energiegenerator erzeugte elektrische Energie einer Umwandlung in Gleichstrom zu unterziehen und um die umgewandelte Energie zum Verbindungsinverter auszugeben. Der Kondensator ist mit dem Diodengleichrichter verbunden und arbeitet zum Halten einer Gleichstromausgabe zu dem Verbindungsinverter auf einer vorbestimmten Spannung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie, welche Vorrichtung zum Verbinden eines elektrischen Energiesystems mit einer Ausgangsseite eines Energiegenerators über einen Verbindungsinverter aufgebaut ist. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung die Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie, welche Vorrichtung nicht an einer Erhöhung einer Stromkapazität einer Umwandlungsvorrichtung resultierend aus einem schlechteren Energiefaktor leidet, der durch eine Leckinduktanz eines Energiegenerators verursacht ist.
In letzter Zeit wird Aero-Generation, welche unerschöpfliche und regenerative Energie, das heißt Windenergie bzw. Windkraft, verwendet, weltweit als umweltfreundliches Energieerzeugungssystem sehr vorherrschend. Bei einem solchen Windenergieerzeugungssystem ist heute die Aufmerksamkeit auf eine Technik variabler Geschwindigkeit gerichtet, die zum starken Reduzieren einer Ausgangsschwankung bzw. -variation eines Energiegenerators arbeitet.

In einem Fall, in welchem ein Energiegenerator durch eine Windmühle angetrieben wird, um durch Windenergie gedreht zu werden, und durch den Windenergiegenerator erzeugte elektrische Energie in einem kommerziellen elektrischen Energiesystem regeneriert wird, ist es nötig, die Erzeugungskosten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit der Erzeugung zu verbessern und weiterhin basierend auf einer effizienten Regeneration von elektrischer Energie eine effektive Energie zu erhalten. Diese Art von Problem in Bezug auf die Systemverbindung ist in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 2897208 offenbart. Weiterhin sind die Reduzierung einer Ausgangsschwankung, die Reduzierung eines Hochbetriebsstroms, das Erniedrigen von Rauschen und die Verbesserung einer Wartungstauglichkeit in Isamu NAGATA, et al: "Development of Gearless Variable-speed Wind Turbine" (Technical Report of Mitsubishi Heavy Industry, Ltd., Vol 38, Nr. 2, S. 100-103, März 2001) beschrieben.

4 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Erzeugungssystem zeigt, das ein elektrisches Energiesystem mit einem Ausgang des herkömmlichen Energiegenerators über einen Verbindungsinverter verbindet. Dieses Erzeugungssystem ist derart aufgebaut, dass es einen mit einer Drehwelle eines Propellers 100 gekoppelten Generator 1, einen mit der Ausgangsseite des Energiegenerators 1 über ein Filter 8 verbundenen PWM-Gleichrichter 9, einen Kondensator 4 und einen PWM-Inverter 5, von welchem beide mit der Gleichstrom- bzw. dc-Ausgangsseite des PWM-Gleichrichters 9 verbunden sind, und ein zwischen einem Ausgang des PWM-Inverters 5 und einem elektrischen Energiesystem 7 angeschlossenes Filter 6 hat. Hierin ist jeder von dem PWM-Gleichrichter 9 und dem PWM-Inverter 5 aus einer dreiphasigen Brückenschaltung mit sechs Schaltern aufgebaut, von welchen jeder aus einem IGBT und einer zu ihm in Sperrrichtung parallel geschalteten Diode gebildet ist.

5 zeigt eine Anordnung eines Wandlers, der in dem in 4 gezeigten Energieerzeugungssystem enthalten ist, und die Betriebswellenform des Wandlers. 6 ist eine Feather-Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Spannungsvektor und einem Stromvektor im Energieerzeugungssystem zeigt.

5B zeigt die Strom- und Spannungswellenformen, die in dem Fall eines Steuerns einer Ausgangsspannung Vu des PWM-Gleichrichters 9 erscheinen, zu welchem ein IGBT-Gate-Signal der dreiphasigen Brückenschaltung zugeführt wird, so dass ein Energiefaktor 1 von einer Ankerspannung Vuint und einem Ausgangsstrom Iu des Energiegenerators 1 abgeleitet werden kann. Der in 5A gezeigte Energiegenerator 1 ändert seine Anschlussspannung gemäß einer Amplitude und einer Phase eines von dem Energiegenerator 1 ausgegebenen Stroms. Somit ist es, um einen derartigen Strom fließen zu lassen, dass die Spannung Vuint jeder Ankerwicklung und der Ausgangsstrom des Energiegenerators 1 in einen Energiefaktor 1 gemischt werden, nötig, eine Ausgangsspannung Vu, deren Amplitude größer als die Spannung Vuint des Ankers ist, in den PWM-Inverter 5 durch Verzögern der Phase der Ausgangsspannung Vu auszugeben.

In 6 ist die Spannung Vx eine durch eine Leckreaktanz X in der Ankerwicklung des Energiegenerators 1 erzeugte Spannung. Die Amplitude dieser Spannung wird durch ein Produkt aus der Leckreaktanz X und dem Ausgangsstrom Lu des Energiegenerators bestimmt.

Lässt man einen Steuerphasenwinkel θ sein, wird die Ausgangsenergie P₀ des Energiegenerators 1 durch die folgenden Ausdrücke (1) und (2) dargestellt: P0 = 3·Vu·Iu·cosθ (1) P0 = 3·Vuint·Iu (2)

Weiterhin gilt:

wobei x ein Prozent der Impedanz der Leckreaktanz X bezeichnet.

Somit ist es deshalb, weil die Kapazität des PWM-Gleichrichters 9 3·Vu·Iu ist, für die durch den Energiegenerator 1 ausgegebene elektrische Energie erforderlich,

so groß wie diejenige zu sein, die in dem Fall geliefert wird, in welchem der Energiefaktor 1 ist. Somit ist es für die Kapazität des Wandlers des PWM-Inverters 5 erforderlich,

so groß, wie diejenige zu sein, die in dem Fall zur Verfügung gestellt ist, in welchem der Energiefaktor 1 ist.

Der PWM-Inverter 5 und das Filter 6 steuern die Ausgangsspannung bezüglich der Phase synchronisiert zu dem elektrischen Energiesystem 7, so dass die in einem Kondensator 4 kondensierte elektrische Energie zum elektrischen Energiesystem 7 ausgegeben werden kann. Zu einer Zeit bzw. gleichzeitig dient der PWM-Inverter 5 als Verbindungswandler zum Steuern des Phasen- und des Spannungswerts der Ausgangsspannung. Als solches steuert bzw. regelt der PWM-Inverter 5 eine Größe bzw. Amplitude einer zu dem elektrischen Energiesystem 7 auszugebenden elektrischen Energie.

Die herkömmliche Systemverbindungsvorrichtung erfordert, dass der PWM-Gleichrichter 9 eine (1 + x²)^1/2-mal so große Kapazität hat. Somit wird der PWM-Gleichrichter 9 bezüglich des Ausmaßes größer gemacht. Weiterhin muss deshalb, weil der PWM-Gleichrichter 9 das (1 + x²)^1/2-fache einer Ausgangsspannung Vu ausgeben muss, der PWM-Gleichrichter 9 aus einer äußerst beständigen Halbleitervorrichtung aufgebaut sein. Allgemein bringt daher eine äußerst beständige Halbleitervorrichtung einen größeren Leitungsverlust und Schaltverlust als ein wenig beständiger Halbleiter mit sich. Diese Energieverluste bringen eine Schwierigkeit bezüglich eines effektiven Erhaltens von Energie mit sich.

Weiterhin ist es deshalb, weil der PWM-Gleichrichter 9 harmonische Komponenten einer Trägerfrequenz dämpft, erforderlich, dass ein Filter mit dem PWM-Gleichrichter 9 verbunden ist. Zum Reduzieren des Ausmaßes bzw. der Größe des Filters 8 wird allgemein ein Hochfrequenzfilter von mehreren kHz oder mehr verwendet. Somit bringt der PWM-Gleichrichter 9 nachteiligerweise einen größeren Schaltverlust mit sich und macht die Systemverbindungsvorrichtung bezüglich des Ausmaßes bzw. der Größe größer und teurer.

Die vorliegende Erfindung ist angesichts dieser Aspekte gemacht, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, welche Vorrichtung in geringerem Ausmaß bzw. kleinerer Größe und effizienter aufgebaut sein kann, indem eine Regenerationsschaltung für magnetische Energie enthalten ist.

Beim Ausführen der Aufgabe ist eine Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie zum Verbinden eines elektrischen Energiesystems mit der Ausgangsseite eines Energiegenerators durch einen Verbindungsinverter zur Verfügung gestellt. Diese Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie weist folgendes auf: eine Regenerationsschaltung für magnetische Energie mit einem Kondensierungskondensator für magnetische Energie zum Kondensieren magnetischer Energie, die im Energiegenerator kondensiert ist, eine Gleichrichtungsschaltung, die mit der Regenerationsschaltung für magnetische Energie verbunden ist und zum Umwandeln von elektrischer Energie, die durch den Energiegenerator erzeugt ist, in einen Gleichstrom bzw. dc-Strom und zum Ausgeben des Gleichstroms in den Verbindungsinverter dient, und einen Kondensator, der mit der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist und zum Halten der Gleichstromausgabe bzw. dc-Ausgabe zu dem Verbindungsinverter auf einer vorbestimmten Spannung dient.

Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich werden, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels darstellen.

Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Systemverbindungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 stellt eine Regenerationsschaltung für magnetische Energie und ihre peripheren Schaltungen detailliert dar.
3 stellt ein simuliertes Ergebnis von Strom- und Spannungswellenformen der in 1 gezeigten Systemverbindungsvorrichtung dar.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, das ein Elektrizitätserzeugungssystem zum Verbinden eines elektrischen Energiesystems mit dem Ausgang des herkömmlichen Energiegenerators über einen Verbindungsinverter zeigt.
5A und 5B stellen eine Anordnung eines in dem in 4 gezeigten Energieerzeugungssystem enthaltenen Wandlers und seine Betriebswellenform dar.
6 ist eine Feather-Ansicht, die eine Beziehung zwischen einem Spannungsvektor und einem Stromvektor in dem in 4 gezeigten Energiegeneratorsystem zeigt.
Es folgt eine Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Hierin nachfolgend wird das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. 1 ist ein Schaltungsdiagramm, das eine Systemverbindungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es ist angenommen, dass die Systemverbindungsvorrichtung, die in 1 gezeigt ist, als Energiegenerator 1 einen Synchrongenerator enthält, der durch die Drehung eines Propellers 100 direkt angetrieben wird. Der Ausgang des Synchrongenerators ist mit einem elektrischen Energiesystem 7 über einen PWM-Inverter 5 verbunden, der als Verbindungsinverter dient. Der Unterschied zwischen dieser Systemverbindungsvorrichtung und der in 4 gezeigten Vorrichtung ist wie folgt. Als erstes ist anstelle des PWM-Gleichrichters 9 ein Diodengleichrichter 3 verwendet, der aus sechs Dioden D1 bis D6 besteht. Als Zweites ist eine Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 zwischen dem Energiegenerator 1 und dem Diodengleichrichter 3 angeordnet. Die Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 ist aus Brückenschaltungen gebildet, von welchen jede aus vier umgekehrt leitenden Halbleiterschaltern SW1 bis SW12 besteht und einen Kondensator Cu, Cv oder Cw hat, der zwischen ihren dc- bzw. Gleichstromanschlüssen angeschlossen ist. Diese Brückenschaltungen entsprechen jeweils den Phasenausgängen des Energiegenerators 1. Hierin besteht jeder der umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 bis SW12 aus einem IGBT und einer Diode, die zu dem IGBT in Sperrrichtung parallel geschaltet ist. Ein Kondensator 4 zum Halten einer dc-Ausgabe auf einer vorbestimmten Spannung, ein PWM-Inverter 5, ein Filter 6, ein elektrisches Energiesystem 7 und die anderen Komponenten sind identisch zu denjenigen, die in 4 gezeigt sind. Somit ist ihre Beschreibung weggelassen.
2 stellt die Regenerationsschaltung für magnetische Energie detailliert dar.
Die im Energiegenerator 1 erzeugte ac-Energie bzw. Wechselleistung wird aus jeder Ankerwicklung Xu, Xv oder Xw herausgenommen. Die ac-Energien bzw. -Leistungen von diesen drei Phasen werden zu der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 zugeführt. Die Regenerationsschaltung 2 enthält drei Brückenschaltungen, von welchen jede aus drei umgekehrt leitenden Halbleiterschaltern SW1 bis SW4, SW5 bis SW8 oder SW9 bis SW12 und einem Kondensator Cu, Cv oder Cw zum Kondensieren von magnetischer Energie besteht. Die Wechsel- bzw. ac-Ausgabe von jeder Brückenschaltung wird durch den Diodengleichrichter 3 in eine Gleichspannung umgewandelt, und dann wird die Wechselspannung im Kondensator 4 gehalten.
Die Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 ist mit einer Steuerschaltung 10 zum Ein- und Aussteuern von jedem umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 bis SW12 durch Zuführen eines Steuersignals zum Gate von jedem Schalter SW1 bis SW12 verbunden. Diese Steuerschaltung 10 besteht aus einem Phasendetektor 11, Pulsverteilern 12, 13 und 14 und Gate-Schaltungen bzw. Gatterschaltungen 15, 16 und 17. Dem Phasendetektor 11 werden von den Ankerwicklungen Xu, Xc und Xw gesendete Spannungsphasensignale zugeführt. Dann erzeugen die Pulsverteiler 12, 13 und 14 jeweils die PWM-Pulssignale gemäß den Phasendifferenzsignalen von diesen Phasen. In Reaktion auf diese PWM-Pulssignale geben die Gate-Schaltungen 15, 16, 17 Gate-Treibersignale zu der Zeitgabe, die mit der Ausgangsspannungsfrequenz des Energiegenerators 1 synchronisiert ist, auf eine derartige Weise aus, dass ein Paar von umgekehrt leitenden Halbleiterschaltern gleichzeitig ein- und ausgeschaltet wird, die auf einer Diagonalen jeder Brückenschaltung angeordnet sind.
Im Folgenden wird die Beschreibung auf eine Ein- und Aussteuerung der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 gerichtet werden.
Zuerst werden die umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1, SW4, SW6 und SW7 eingeschaltet, so dass der Kondensator 4 mit einer Gleichspannung geladen werden kann. Zu einer Zeit bzw. gleichzeitig werden die umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW2, SW3, SW5 und SW8 ausgeschaltet. In Wirklichkeit wird dem Kondensator 4 Strom im Durchgang von der V-Phase des Energiegenerators 1 zu der Ankerwicklung Xv zu SW5 zu SW6 zur Diode D2 zum Kondensator 4 zugeführt. Als Nächstes fließt aus dem Kondensator 4 dieselbe Größe an Strom in dem Durchgang von dem Kondensator 4 selbst zu der Diode D4 zu SW4 zu SW3 zu der Ankerwicklung Xu zu der U-Phase des Energiegenerators.
Dann werden die umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 und SW4 ausgeschaltet, so dass die in der Ankerwicklung Xu kondensierte magnetische Energie zu dem Kondensator Cu verschoben werden kann. Das bedeutet, dass die magnetische Energie von der V-Phase des Energiegenerators 1 zu der Ankerwicklung Xv zu SW5 zu SW6 zu der Diode D2 zu dem Kondensator 4 zu der Diode D4 zu SW2 zu dem Kondensator Cu zu SW3 zu der Ankerwicklung Xu zu der U-Phase des Energiegenerators 1 geführt wird.
Wenn die Polarität der U-Phasenspannung des Energiegenerators umgekehrt wird, werden die Gate-Treibersignale von der Steuerschaltung 10 bei der mit der Umkehrung synchronisierten Zeitgabe eingeschaltet, so dass die umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW2, SW3, SW5 und SW8 eingeschaltet werden. Dann wird die im Kondensator Cu kondensierte magnetische Energie zum Kondensator 4 verschoben. Das bedeutet, dass veranlasst wird, dass der Strom bei dem Durchgang von dem Kondensator Cu zu SW2 zu der Diode D1 zu dem Kondensator 4 in den Kondensator 4 fließt, während veranlasst wird, dass der Strom bei dem Durchgang von dem Kondensator 4 zu der Diode D5 zu SW6 zu SW5 zu der Ankerwicklung Xv zu der V-Phase des Energiegenerators 1 zu der U-Phase des Energiegenerators 1 zu der Ankerwicklung Xu zu SW1 zu dem Kondensator Cu aus dem Kondensator 4 heraus fließt. Als solches wird mittels der Spannung der Größe entsprechend der im Kondensator Cu kondensierten magnetischen Energie veranlasst, dass ein großer Strom plötzlich in den Kondensator 4 fließt. Dies resultiert in einem Verbessern eines Energiefaktors.
Wie es oben beschrieben ist, wird bei der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 dann, wenn die Brückenschaltung ausgeschaltet wird, die in der Leckreaktanz X des Energiegenerators 1 kondensierte magnetische Energie in den Kondensator Cu, Cv oder Cw gebracht, und wird dann, wenn die Brückenschaltung eingeschaltet wird, die im Kondensator kondensierte Energie in den Kondensator 4 entladen, der an der Ausgangsseite des Diodengleichrichters 3 angeschlossen ist. Der Ausgangsstrom des Diodengleichrichters 3 steigt plötzlich an, wenn die Brückenschaltung eingeschaltet wird. Somit wird veranlasst, dass der durch eine Last fließende Strom größer wird, so dass veranlasst wird, dass eine große Größe bzw. Amplitude an Strom mit einer niedrigen Spannung fließt. Dies resultiert somit in einem Verbessern des Energiefaktors.
Weiterhin verarbeitet die Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 nur die der Leckreaktanz X entsprechende Kapazität an Energie. Somit muss der Diodengleichrichter 3, der als der AC/DC- bzw. Gleichstrom/Wechselstrom-Wandler dient, lediglich das x(1 + x²)^–1/2-fache der Kapazität wie der herkömmliche PWM-Gleichrichter 9 haben.
Darüber hinaus veranlasst die Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 nur, dass die umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 bis SW12 synchron zu der Wechsel- bzw.
ac-Frequenz des Energiegenerators 1 geschaltet werden. Dies macht es für diese Schalter SW1 bis SW12 möglich, mit einer niedrigeren Frequenz als die herkömmliche Schaltung geschaltet zu werden. In diesem Fall ist es, während eine Spannung im Kondensator 4 gelassen wird, für die Steuerschaltung 10 erforderlich, diese umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 bis SW12 so zu steuern, dass das Paar von Vorwärtsstrom-Halbleiterschaltern und das Paar von Rückwärtsstrom-Halbleiterschaltern nicht gleichzeitig eingeschaltet werden.
Gleich der Phasensteuerung des herkömmlichen PWM-Gleichrichters 9 ist es durch Veranlassen, dass die umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 bis SW12, die die Brückenschaltungen der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 bilden, ein- und ausgeschaltet werden, wenn die Schaltoperation von der Phase einer Ausgangsspannung des Energiegenerators 1 verschoben wird, möglich, einen im Kondensator 4 gehaltenen Spannungswert einzustellen. Beispielsweise ist es in dem Fall eines Steuerns der U-Phasenspannung durch Verschieben der Phase, in welcher die umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 und SW4 oder die Schalter SW2 und SW3 eingeschaltet werden, von der Phase der Ankerspannung Vuint, wie das Schalten der Phase des herkömmlichen Thyristorgleichrichters (PWM-Gleichrichters 9), möglich, den Spannungswert des Kondensators 4 einzustellen.
Durch weiteres Fortschalten der Phase eines Gate-Treibersignals der Steuerschaltung 10 wird veranlasst, dass die Phase des fließenden Stroms fortgeschaltet wird, während durch Verzögern seiner Phase veranlasst wird, dass der Strom reduziert wird. Weiterhin wird der Strom durch Verzögern der Phase um 180 Grad gestoppt. Durch Ausschalten der umgekehrt leitenden Halbleiterschalter SW1 bis SW12, die die Brückenschaltungen der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 bilden, werden die Kondensatoren Cu, Cv und Cw zu der Spitzenspannung des Energiegenerators 1 aufgeladen, so dass die zu dem Kondensator 4 zuzuführende elektrische Energie abgetrennt werden kann. Daher kann diese Systemverbindungsvorrichtung die Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 zum Abtrennen des elektrischen Energiesystems 7 oder als Schalter für synchrones Einschalten verwenden.
3 stellt das simulierte Ergebnis des Betriebs der Systemverbindungsvorrichtung dar. In 3 wird es für die mit der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 versehene Systemverbindungsvorrichtung verstanden, dass die Stromwellenform bei einem Schalter dieselbe Phase wie die Versorgungsspannungswellenform hat und weiterhin einen größeren Stromwert hat. Dies zeigt einen verbesserten Energiefaktor der Last an. Somit dient diese Systemverbindungsvorrichtung in einem weiten Sinn als Vorrichtung zum Verbessern eines Energiefaktors.
Die vorangehende Beschreibung hat sich mit dem Ausführungsbeispiel beschäftigt, bei welchem der umgekehrt leitende Halbleiterschalter aus einer Diode und einem IGBT, der zu ihr parallel geschaltet ist, besteht. Tatsächlich jedoch kann der umgekehrt leitende GTO-Thyristor oder der Leistungs-MOSFET für den umgekehrt leitenden Halbleiterschalter verwendet werden. Dieser Schalter liefert denselben Effekt.
Wie es oben aufgezeigt ist, kann die Systemverbindungsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Energiefaktor bzw. Leistungsfaktor des Energiegenerators bzw. Leistungsgenerators 1 durch die Verwendung der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 mit der entsprechenden Kapazität mit der Leckreaktanz X verbessern. Somit kann diese Systemverbindungsvorrichtung den Wandler zur Verfügung stellen, der lediglich die x(1 + x2)^–1/2-fache Kapazität wie der herkömmliche PWM-Gleichrichter haben muss. Dies bedeutet, dass das Windenergie-Erzeugungssystem bezüglich der Größe reduziert und billiger hergestellt werden kann. Obwohl der herkömmliche PWM-Gleichrichter allgemein bei mehreren kHz betrieben wird, kann die Systemverbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Generatorfrequenz von mehreren zehn Hz betrieben werden. Dies macht es somit möglich, den Schaltverlust um einen Faktor von 1/100 oder darunter zu reduzieren. Diese Reduktion resultiert darin, die Systemverbindungsvorrichtung effizienter und kleiner zu machen.
Durch Steuern der Ein/Aus-Phase der Brückenschaltung ist es möglich, die Ausgangsspannung des Gleichrichters zu steuern. Somit kann diese Systemverbindungsvorrichtung betrieben werden, ohne die Ausgangsspannung zu verändern, selbst wenn die Spannung des Energiegenerators schwankt bzw. sich ändert bzw. variiert. Somit ist es für den PWM-Inverter 5, der der Last der Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 entspricht, nicht erforderlich, größer zu sein, um mit einer Vielfalt von Eingangsspannungen fertig zu werden, was zu einem Reduzieren der Größe der Vorrichtung führt.
Weiterhin kann die Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2 für ein Abtrennen des Energiegenerators 1 von dem elektrischen Energiesystem 7 oder einen Schalter für synchrones Einschalten verwendet werden. Die Systemverbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung muss keine mechanischen Schalter haben, wie beispielsweise einen Leiter und einen Unterbrecher für synchrones Einschalten, die bei dem herkömmlichen System erforderlich gewesen sind. Dies führt zu einem Reduzieren der Größe der Vorrichtung. Darüber hinaus ermöglicht die Regenerationsschaltung für magnetische Energie 2, schneller ein- oder auszuschalten als die mechanischen Schalter, die im herkömmlichen System vorgesehen sind. Dies macht es somit möglich, den Spitzenstrom bzw. Hochbetriebsstrom zu reduzieren, der beim Einschalten erscheint.
Gemäß der vorliegenden Erfindung veranlasst die Regenerationsschaltung für magnetische Energie, dass der Energiefaktor des Energiegenerators 1 verbessert ist. Dies macht es somit möglich, eine Systemverbindungsvorrichtung für eine erzeugte elektrische Energie zur Verfügung zu stellen, die kleiner und effizienter gemacht werden kann. Weiterhin muss die Systemverbindungsvorrichtung dieser Erfindung keine mechanischen Schalter haben, wie beispielsweise einen Leiter oder einen Unterbrecher für synchrones Einschalten, die bei dem herkömmlichen System erforderlich gewesen sind.
Das Vorangehende wird nur als illustrativ für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung angesehen. Weiterhin ist es deshalb, weil zahlreiche Modifikationen und Änderungen Fachleuten auf dem Gebiet ohne weiteres einfallen werden, nicht erwünscht, die Erfindung auf den genauen Aufbau und die Anwendungen zu beschränken, die gezeigt und beschrieben sind, und demgemäß können alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente derart angesehen werden, dass sie in den Schutzumfang der Erfindung in den beigefügten Ansprüchen und ihrer Äquivalente fallen.

Claims

Systemverbindungsvorrichtung für erzeugte elektrische Energie zum Anschließen eines elektrischen Energiesystems (7) an einen Ausgang eines Energiegenerators (1) durch einen Verbindungsinverter (5), wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Regenerationsschaltung für magnetische Energie (2) mit einem Kondensator (Cu, Cv, Cw) zum Kondensieren von magnetischer Energie, die im Energiegenerator (1) kondensiert ist; eine Gleichrichtungsschaltung (3), die mit der Regenerationsschaltung für magnetische Energie (2) verbunden ist und zum Umwandeln der durch den Energiegenerator (1) erzeugten elektrischen Energie in Gleichstrom und zum Ausgeben des umgewandelten Stroms an den Verbindungsinverter (5) dient; und einen Kondensator (4), der mit der Gleichrichtungsschaltung (3) verbunden ist und zum Halten der dc- bzw. Gleichstromausgabe für den Verbindungsinverter (5) auf einer vorbestimmten Spannung dient.
Systemverbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Regenerationsschaltung für magnetische Energie (2) Brückenschaltungen enthält, von welchen jede aus vier umgekehrt leitenden Schaltern (SW1-SW12) besteht, wobei die Brückenschaltungen Ausgaben von jeweiligen Phasen des Energiegenerators (1) entsprechen und wobei der magnetische Energie kondensierende Kondensator (Cu, Cv, Cw) zwischen dc- bzw. Gleichstromanschlüssen von jeder der Brückenschaltungen angeschlossen ist, und wenn ein Strom zu der Gleichrichtungsschaltung (3) abgetrennt ist, die Regenerationsschaltung für magnetische Energie (2) veranlasst, dass in einer Leckinduktanz des Energiegenerators (1) kondensierte magnetische Energie in den magnetische Energie kondensierenden Kondensator (Cu, Cv, Cw) kondensiert wird.
Systemverbindungsvorrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin folgendes aufweist: eine Steuerschaltung (10) zum Erzeugen eines Gate-Steuersignals zum Veranlassen, dass ein Paar der umgekehrt leitenden Schalter (SW1-SW12) auf einer Diagonale von vier Schaltern (SW1-SW4, SW5-SW8, SW9-SW12), die jeweils eine Brückenschaltung bilden, gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden, um die Regenerationsschaltung für magnetische Energie (2) durch das Gate-Steuersignal einer Ein- oder Aussteuerung zu unterziehen, und wobei die Steuerschaltung (10) die Schaltoperation synchron zu einer Ausgangsspannungsfrequenz des Energiegenerators (1) steuert.
Systemverbindungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung (10) eine in dem Kondensator (4) gehaltene dc-Spannung bzw. Gleichspannung (Vdc) durch Verschieben der Phase einer Ausgangsspannung des Energiegenerators (1) von der Schaltoperation konstant hält.
Systemverbindungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung (10) eine Abtrenngeschwindigkeit zwischen dem Energiegenerator (1) und dem Energiesystem (7) oder eine synchrone Einschaltgeschwindigkeit steuert.
Systemverbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Energiegenerator (1) ein Synchrongenerator ist, der durch eine Drehung eines Propellers (100) direkt angetrieben wird.
Systemverbindungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der umgekehrt leitende Schalter (SW1-SW12) aus irgendeiner einer Parallelschaltung von Halbleiterschaltern, die jeweils aus einem Leistungs-MOSFET bestehen, einer Parallelschaltung aus Halbleiterschaltung, die jeweils aus einem umgekehrt leitenden GTO-Thyristor bestehen, und einer Parallelschaltung aus einer Diode und einem IGBT gebildet ist.