DE19748479C1 - Pulswechselrichter mit variabler Pulsfrequenz und Windenergieanlage mit einem Pulswechselrichter - Google Patents
Pulswechselrichter mit variabler Pulsfrequenz und Windenergieanlage mit einem PulswechselrichterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Pulswechselrichter mit variabler
Pulsfrequenz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
(DE 32 04 266 A1) und eine Windenergieanlage mit einem
solchen Wechselrichter.
Es ist bei Windenergieanlagen bekannt, diese mit einem Synchrongenerator auszu
statten und für den drehzahlvariablen Betrieb des Synchrongenerators einen Gleich
spannungszwischenkreis sowie einen nachgeschalteten Pulswechselrichter als
Frequenzumrichter vorzusehen.
Fig. 4 zeigt das Prinzipschaltbild einer solchen Windenergieanlage, wobei ein direkt
vom Rotor angetriebener, drehzahlvariabler Synchrongenerator mit einem nach
geschalteten Frequenzumrichter vorgesehen ist. Beim Gleichstromzwischenkreis
wird zunächst der vom Generator erzeugte Strom variabler Frequenz gleichgerichtet
und dann über den Frequenzumrichter ins Netz eingespeist.
Mit dieser Konzeption wird ein großer Drehzahlbereich ermöglicht, da der Gleich
stromzwischenkreis eine völlige Entkopplung der Generator- und damit der Rotor
drehzahl von der Netzfrequenz bewirkt. Der große Drehzahlbereich gestattet einen
effektiven windgeführten Betrieb des Rotors, so daß bei entsprechender Auslegung
eine spürbare Erhöhung seiner aerodynamisch bedingten Energielieferung erreicht
werden kann. Es versteht sich nahezu von selbst, daß diese Konzeption die unan
genehmen dynamischen Eigenschaften, die der Synchrongenerator bei direkter
Netzanbindung aufweist, völlig eliminiert.
Bis vor wenigen Jahren war ein wesentlicher Einwand gegen das System "Syn
chrongenerator mit Gleichstromzwischenkreis" die hohen Kosten und der schlechte
elektrische Gesamtwirkungsgrad. Weil die gesamte elektrische Leistung über den
Umrichter fließt, war bei alten Anlagen der Wirkungsgrad grundsätzlich geringer als
bei den drehzahlvariablen Generatorkonzeptionen, die den Umrichter nur im Läufer
kreisstrom eines Asynchrongenerators verwenden. Die moderne Umrichtertechnik
hat diesen Einwand jedoch weitgehend gegenstandslos gemacht. Heute werden
Stromrichter gebaut, deren Verluste außerordentlich gering sind, so daß der Ge
samtwirkungsgrad dieses Generatorsystems sich so verhält, wie bei doppeltgespei
sten Asynchrongenerator.
Der drehzahlvariable Synchrongenerator mit Gleichstromzwischenkreis ist deshalb
heute in der Windenergieanlagen-Technik sehr verbreitet. Daran haben vor allem
die neueren Wechselrichter einen bedeutenden Anteil. Mit sogenannten "puls
weitenmodulierten (pwm) Wechselrichtern" werden dabei die störenden Ober
schwingungen weitgehend eliminiert. Bekannte pwm-Wechselrichter weisen eine
konstante Schaltfrequenz bzw. Taktdauer (auch Pulsfrequenz genannt) auf und
über das Verhältnis der Ein- bzw. Ausschaltzeit von zwei Schaltern S1 und S2 wird
die gewünschte Sinusform des einzuspeisenden Wechselstroms gebildet. Die
Taktdauer, innerhalb der die Schalter S1 und S2 ein- bzw. ausgeschaltet werden,
ist dabei wie erwähnt konstant und begrenzt durch die Verlustleistung des Wech
selrichters. Bei bekannten Wechselrichtern können die Verluste bis zu 2% oder
mehr der gesamten erzeugten elektrischen Leistung betragen, was angesichts der
hohen Kosten einer Windenergieanlage beträchtlich sein kann.
Wird die Schaltfrequenz heruntergesetzt, so kann zwar die Verlustleistung mini
miert werden, jedoch steigt dadurch der Gehalt der störenden Oberschwingungen
an. Wird die Schaltfrequenz heraufgesetzt, so steigt die Verlustleistung, wie
erwähnt, an, jedoch werden dann die Oberschwingungen weitestgehend eliminiert.
Aus DE 32 04 266 A1 eist ein Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Pulswech
selrichters vorhanden, bei dem eine mit der gewünschten Wechselrichter-Aus
gangsspannung synchrone Wechselspannung mit einer Dreieckspannung verglichen
und bei Gleichheit beider Spannungen ein Umschaltsignal für die Wechselrichter
schalter erzeugt wird. Zur Steigerung der Ausgangsspannungsamplitude wird das
Verhältnis von der Steuerspannungsamplitude und der Dreiecksspannungsamplitu
de auf einen überproportionalen Wert angehoben.
Aus DE 32 07 440 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung der Spannungssteuerung von
dreiphasigen Pulswechselrichtern bekannt, bei der eine konstante Gleichspannung,
insbesondere durch einen Zwischenkreis, zugeführt wird. Hierbei werden zur
Optimierung der Spannungssteuerung des dreiphasigen Pulswechselrichters
Schaltmuster erzeugt, die eine kontinuierliche Verstellung der Grundschwingungs
spannung bei möglichst geringen Oberschwingungseffekt ermöglichen.
Schließlich ist aus DE 32 30 055 A1 ein Steuersatz für einen Pulswechselrichter zum
Erzeugen einer Ausgangswechselspannung mit einer durch eine Frequenzsteuerung
vorgegebene Sollfrequenz und einer durch eine Amplitudensteuerspannung vor
gegebene Sollamplitude bekannt. Der Steuersatz gestattet es, einem Wechselrich
ter eine hinsichtlich Spannungsausnutzung und Oberschwingungsgehalt optimierte
Ausgangsspanung auf einfache Weise vorzugeben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Pulswechselrichter für eine Windenergie
anlage zu schaffen, welcher insgesamt
die Verlustleistung bei minimalem Gehalt der Oberschwingungen verringert.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Pulswechselrichter mit den Merkmalen nach
Anspruch 1 erreicht. Eine vorteilhaft Weiterbildung ist in Anspruch 2 beschrieben.
Im Anspruch 3 ist eine Windenergieanlage mit einem Pulswechselrichter nach
einem der Ansprüche 1 oder 2 beschrieben. In Anspruch 4 ist eine Anordnung von
mehreren parallel zueinander geschalteten Windenergieanlage nach Anspruch 3
beschrieben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, von einem Pulswechselrichter mit einer
statischen Schaltfrequenz bzw. Taktdauer, wie aus dem Stand der Technik und aus
Fig. 2 bekannt, völlig abzurücken und die Schaltfrequenz variabel zu gestalten, und
zwar in Abhängigkeit des zu erzeugenden Wechselstroms. Im Bereich des
Nulldurchgangs des erzeugten Wechselstroms ist dabei die Schaltfrequenz
maximal, d. h. die Taktdauer minimal; im Bereich der maximalen Amplituden des
Wechselstroms ist die Schaltfrequenz minimal, d. h. die Taktdauer maximal.
Es konnte gefunden werden, daß bei einem solchen Pulswechselrichter die Schal
tungsverluste der Leistungshalbleiter minimiert werden können, was zu einer
drastischen Herabsetzung der Verlustleistung führt und daß der einzuspeisende
Strom einen sehr hohen Grundschwingungsgehalt ohne störende
Oberschwingungen aufweist. Darüber hinaus bilden sich, da keine ausgeprägte
feste Schaltfrequenz vorhanden ist, keine störenden Resonanzen aus, wenn
mehrere Windenergieanlagen parallel zueinander geschaltet werden, was eine
weitere relative Verbesserung des Grundschwingungsgehalts zur Folge hat.
Während bei bisherigen Pulswechselrichtern eine statische Schaltfrequenz
angenommen wurde und im Bereich der Schaltzeiten der Schalter S1 und S2 nach
Optimierungen gesucht wurde, um die Verlustleistung zu verringern und den
Oberschwingungsgehalt zu minimieren, schlägt die Erfindung auch eine
Optimierung der Schaltfrequenz des Pulswechselrichters vor, wobei sich die
Schaltfrequenz in Abhängigkeit des sinusförmigen, einzuspeisenden Stroms ändert.
Der Verlauf der variablen Schaltfrequenz ist in Fig. 3b vereinfacht dargestellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Figur zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Pulswechselrichters,
Fig. 2 ein Stromlaufdiagramm a), ein Schaltungsfrequenzdiagramm b) sowie ein
Ein- bzw. Ausschaltdiagramm c) der Schalter S1 und S2;
Fig. 3 ein Stromlaufdiagramm und ein Schaltungsfrequenzdiagramm eines erfin
dungsgemäßen Pulswechselrichters;
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer Windenergieanlage mit direkt angetriebenem,
drehzahlvariablen Synchrongenerator;
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Wechselrichters einer E-40-Windenergieanlage.
Fig. 1 zeigt einen Schalter S1 und einen Schalter S2 sowie eine nachgeschaltete
Induktivität L. Der Schalter S1 ist mit dem Pluspol und der Schalter S2 mit dem
Minuspol der gelieferten Gleichspannung verbunden.
Fig. 2 zeigt in a) das Ergebnis der Pulswechselrichtung bei einem bekannten
Pulswechselrichter nach Fig. 1. Hierbei ist die Schaltfrequenz fS bzw. der Kehrwert
der Schaltfrequenz, die Taktdauer T, wie in Fig. 2b) dargestellt, konstant.
Innerhalb eines Taktes ist ein Schalter S1 für eine Zeitdauer t1 und ein Schalter S2
für eine Zeitdauer t2 eingeschaltet. Durch entsprechende Vorgaben und Variationen
der Schaltdauern t1 und t2 bzw. der entsprechenden Ausschaltzeiten der Schalter
S1 und S2 läßt sich aus dem gelieferten Gleichstrom sinusförmiger Wechselstrom
- siehe Fig. 2a) - generieren. Durch Optimierung der Schaltzeiten t1 zu t2 innerhalb
der Schaltperiode T, läßt sich der sinusförmige Verlauf optimieren. Der in Fig. 2
dargestellte Ein- bzw. Ausschaltverlauf ist aus zeichnerischen Gründen lediglich
stark vereinfacht dargestellt. Die Schaltfrequenz ist jedoch begrenzt durch die
Verlustleistung PV des Pulswechselrichters. Mit ansteigender Schaltfrequenz steigt
die Verlustleistung PV an. Mit abnehmender Schaltfrequenz nimmt zwar die
Verlustleistung PV ab, jedoch steigt dann der Gehalt an Oberschwingungen, was zu
Netzunverträglichkeiten führen kann.
In Fig. 3 ist in 3b) zu sehen, daß die Schaltfrequenz für den einzuspeisenden
Strom i in Fig. 3a) variabel ausgebildet ist und daß die Schaltfrequenz im Bereich
der Nulldurchgänge des zu erzeugenden Wechselstromes i maximal und im Bereich
der maximalen Amplituden des zu erzeugenden Wechselstromes i minimal ist. Die
Schaltfrequenz fS beträgt im Bereich der maximalen Amplituden des zu
erzeugenden Wechselstroms i maximal etwa 16 kHz und minimal etwa 1 kHz.
Durch die Variabilität der Schaltfrequenz wird erreicht, daß im Bereich der
Nulldurchgänge der zu erzeugende Wechselstrom quasi deckungsgleich mit der
Ideal-Sinuskurve erzeugt wird und daß der erzeugte Wechselstrom im Bereich der
maximalen Amplituden einen größeren Oberschwingungsanteil aufweist, als im
Bereich der Nulldurchgänge. Insgesamt ist aber der Gehalt der Oberschwingungen
minimal und im Bereich der Nulldurchgänge praktisch Null.
Werden nunmehr mehrere Windenergieanlagen mit einem Synchrongenerator und
einem entsprechenden Pulswechselrichter mit einer Steuerung nach Fig. 3b)
parallel geschaltet, stellt sich keine - wie bisher - störende, ausgeprägte, feste
Schaltfrequenz ein und durch die variable Schaltfrequenz ergeben sich keine
störenden Resonanzen zwischen den einzelnen Windenergieanlagen, so daß bei
einer Parallelschaltung mehrerer Windenergieanlagen der Grundschwingungsgehalt
insgesamt deutlich verbessert wird.
Fig. 4 zeigt das Prinzipschaltbild eines von einem Rotor R angetriebenen,
drehzahlvariablen Synchrongenerators SG mit einem nachgeschaltetem
Gleichrichter G und einem Pulswechselrichter PWR - s. Fig. 5 -, wie er z. B. in der
Winderenergieanlage ENERCON vom Typ "E-40" bekannt ist. Die Synchronmaschi
ne bei der für den Typ "E-40" entwickelten Generator ist eine elektrisch erregte
Synchronmaschine mit 84 Polen. Der Durchmesser beträgt ca. 4,8 m.
Die Gesamtverluste des Frequenzumrichters mit einer Ansteuerung nach Fig. 2
betragen bei der bekannten "E-40"-Windenergieanlage noch etwa 2,5% der
gesamten elektrisch erzeugten Leistung. Diese Verluste können mittels der
Erfindung um über 30% oder mehr erheblich reduziert werden, wobei die
Netzeinspeisung nach wie vor praktisch oberschwingenfrei gestaltet werden kann.
Claims (5)
1. Pulswechselrichter (PWR) mit variabler Pulsfrequenz zur Erzeugung eines
sinusförmigen Wechselstromes,
dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die Pulsfrequenz-Änderung abhängig ist vom Verlauf des zu erzeugenden Wech selstromes (i), wobei die Pulsfrequenz (fs) im Nulldurchgang des zu erzeugenden Wechselstromes (i) um ein Vielfaches größer ist als im Bereich der maximalen Amplitude des Wechselstromes (i) und
- 2. die kleinste Pulsfrequenz (fs) im Bereich der maximalen Amplitude des Wechsel stromes (i) mindestens einige 100 Hz beträgt.
2. Pulswechselrichter (PWR) nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß
die Pulsfrequenz (fs) im Bereich der Nulldurchgänge des zu erzeugenden Wech
selstroms (i) im Bereich etwa 14-18 kHz und im Bereich der maximalen Amplituden
des Stromes etwa 500 Hz bis 2 kHz beträgt.
3. Windenergieanlage mit einem Pulswechselrichter (PWR) nach Anspruch 1
oder 2.
4. Anordnung von mehreren parallel zueinander geschalteten Windenergie
anlagen nach Anspruch 3.
5. Parallelschaltung von mehreren Puls-Wechselrichtern nach einem der
Ansprüche 1 oder 2.
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