DE102008009276A1

DE102008009276A1 - Elektrische Schaltung insbesondere für einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit netzgekoppeltem Stator

Info

Publication number: DE102008009276A1
Application number: DE200810009276
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Eggert
Original assignee: Converteam Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-27

Abstract

Es wird eine elektrische Schaltung mit einem Asynchrongenerator (G) beschrieben, dessen Stator mit einem Energieversorgungsnetz gekoppelt ist und dessen Rotor über einen rotorseitigen Umrichter (Mpr), einen Zwischenkreis (Cd) und einen netzseitigen Umrichter (Npr) mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist. Zwischen den Stator und das Energieversorgungsnetz ist ein ein Leistungshalbleiterbauelement aufweisender Statorschalter (Es) geschaltet, der dazu vorgesehen ist, bei einem Fehler im Energieversorgungsnetz eine Umschaltung von seinem leitenden in den gesperrten Zustand durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung insbesondere für einen doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit netzgekoppeltem Stator.
Es ist bekannt, den Stator eines Asynchrongenerators direkt mit einem elektrischen Energieversorgungsnetz zu verbinden, während der Rotor des Asynchrongenerators über einen rotorseitigen Umrichter, einen Zwischenkreis und einen netzseitigen Umrichter an das Energieversorgungsnetz gekoppelt ist. Die beiden Umrichter werden in Abhängigkeit von Strömen und Spannungen, die innerhalb der beschriebenen Schaltung gemessen werden, derart gesteuert, dass die im Stator induzierte Spannung an das Energieversorgungsnetz angepasst und dorthin eingespeist wird.
Bei dieser elektrischen Schaltung ist es weiterhin bekannt, zwischen dem Stator und dem Energieversorgungsnetz einen Schalter anzuordnen, mit dem der Stator von dem Energieversorgungsnetz getrennt werden kann. Diese Schalter sind aber üblicherweise nur dazu geeignet, im lastfreien Zustand eine Umschaltung durchzuführen.
Ein Fehler im Energieversorgungsnetz kann zur Folge haben, dass in dem Asynchrongenerator ein Kurzschlussstrom erzeugt wird, der zu einer Aufladung des Zwischenkreises führt. Dies kann zu einer Gefährdung der Bauelemente der beiden Umrichter führen. Als Gegenmaßnahme ist es bekannt, einen rotorseitigen Kurzschließer vorzusehen, mit dem der Rotor des Asynchrongenerators über einen Halbleiterschalter und einen Widerstand kurzgeschlossen werden kann. Ab einer bestimmten Spannung im Zwischenkreis wird der Halbleiterschalter leitend geschaltet, so dass der Widerstand wirksam wird. Übersteigt die Spannung im Zwischenkreis vorgegebene Maximalwerte, dann muss der Betrieb der beiden Umrichter beendet werden, um eine Zerstörung der Bauelemente der Umrichter zu vermeiden. In diesem Fall wird danach der Zwischenkreis wieder auf zulässige Spannungswerte zurückgeführt und der Halbleiterschalter des Kurzschließers wieder gesperrt, um den Betrieb der Umrichter wieder neu zu beginnen.
Bei dem erläuterten Vorgehen müssen insbesondere die Bauelemente der beiden Umrichter zumindest in einem gewissen Umfang für erhöhte Spannungen im Zwischenkreis ausgelegt sein. Ebenfalls stellt der Kurzschließer einen erhöhten Bauteileaufwand dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der ein Fehler des Energieversorgungsnetzes mit geringerem Bauteileaufwand verarbeitet werden kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und durch eine elektrische Schaltung nach dem Anspruch 5.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Asynchrongenerator statorseitig mit einem Energieversorgungsnetz gekoppelt. Rotorseitig ist der Asynchrongenerator über einen rotorseitigen Umrichter, einen Zwischenkreis und einen netzseitigen Umrichter mit dem Energieversorgungsnetz verbunden. Bei einem Fehler in dem Energieversorgungsnetz wird die Kopplung zwischen dem Stator des Asynchrongenerators und dem Energieversorgungsnetz durch Sperren eines ein Leistungshalbleiterbauelement aufweisenden Statorschalters unterbrochen.
Es ist also kein Kurzschließer oder dergleichen erforderlich. Dies stellt eine wesentliche Verminderung des Bauteileaufwands dar. Weiterhin ist keine Überdimensionierung der Bauelemente der beiden Umrichter erforderlich. Auch damit wird ein verminderter Aufwand erreicht.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass unmittelbar nach dem Auftreten des Netzfehlers von dem netzseitigen Umrichter ein Blindstrom in das Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann. Zusätzlich kann unmittelbar dach dem Sperrend-Schalten des Statorschalters die Erregung des Asynchrongenerators an das fehlerhafte Energieversorgungsnetz angepasst werden. Nach dem Wieder-Leitend-Schalten des Statorschalters kann dann der gesamte benötigte Blindstrom von dem Asynchrongenerator geliefert werden. Damit können von dem Betreiber des Energieversorgungsnetzes vorgegebene Anforderungen für die Einspeisung von Energie im Fehlerfall auf besonders einfache, aber trotzdem schnelle Art und Weise erfüllt werden.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung.
Ein dreiphasiges Energieversorgungsnetz ist mit einem Transformator T verbunden, an den weiterhin ein Statorschalter Es angeschlossen ist, der seinerseits mit dem Stator eines Asynchrongenerators G verbunden ist. Bei dem Schalter Es kann es sich um jegliche Art eines ansteuerbaren elektrischen bzw. elektronischen Schalters handeln, der in der Lage ist, den Strom bzw. die Spannung zwischen dem Transformator T und dem Stator zu unterbrechen. Insbesondere kann es sich bei dem Schalter Es um ein elektrisches bzw. elektronisches Leistungshalbleiterbauelement handeln, beispielsweise einen Thyristor oder einen IGBT (insulated gate bipolar transistor) oder dergleichen.
Zur Messung der Netzspannung Un ist auf der Netzseite des Statorschalters Es ein Spannungssensor vorgesehen. Zur Messung der Statorspannung Us ist auf der Statorseite des Statorschalters Es ein weiterer Spannungssensor vorgesehen. Auf dieser Statorseite ist des weiteren ein Stromsensor vorhanden, der den über den Statorschalter Es fließenden Statorstrom Is misst.
An den Verbindungspunkt des Transformators T und des Statorschalters Es ist ein Netz-Umrichter Npr angeschlossen, der über einen Zwischenkreis Cd mit einem Motor-Umrichter Mpr verbunden ist. Der Motor-Umrichter Mpr ist weiterhin mit dem Rotor des Asynchrongenerators G verbunden. Der Netz-Umrichter Npr und der Motor-Umrichter Mpr können beliebig aufgebaut sein, insbesondere kann es sich dabei um Schaltungen handeln, die eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen aufweisen, beispielsweise Dioden oder Transistoren oder dergleichen. Der Zwischenkreis Cd ist zur Speicherung einer Gleichspannung vorgesehen und weist insbesondere einen oder mehrere Kondensatoren auf.
Zur Messung des über den Netz-Umrichter Npr fließenden Stroms Inp ist auf der Netzseite des Netz-Umrichters Npr ein Stromsensor vorgesehen. Zur Messung des über den Motor-Umrichter Mpr fließenden Rotorstroms Ir ist auf der Maschinenseite des Motor-Umrichters Mpr ein weiterer Stromsensor vorhanden. Zwischen dem Motor-Umrichter Mpr und dem Zwischenkreis Cd ist ein Spannungssensor vorgesehen, mit dem die Zwischenkreisspannung Ud gemessen werden kann.
Die Messsignale der Netzspannung Un, der Statorspannung Us, der Zwischenkreisspannung Ud, des über den Netzumrichter Npr fließenden Stroms Inp, des Statorstroms Is und des Rotorstroms Ir sind einer Steuerung ST als Eingangssignale zugeführt. Diese Steuerung ST erzeugt mehrere Ausgangssignale ZES, ZNpr, ZMpr, mit denen der Statorschalter Es, der Netz-Umrichter Npr und der Motor-Umrichter Mpr angesteuert werden können.
Bei der beschriebenen Schaltung handelt es sich um einen sogenannten doppelt gespeisten Asynchrongenerator mit netzgekoppeltem Stator. Diese Schaltung kommt insbesondere in Energieerzeugungsanlagen zum Einsatz, beispielsweise in Windkraft- oder Wasserkraft- oder Gasturbinen-Energieerzeugungsanlagen.
Im Normalbetrieb dieser Schaltung ist der Statorschalter Es leitend geschaltet. Wird der Rotor durch eine äußere Kraft, beispielsweise durch Wind oder Wasser, in eine Drehbewegung versetzt, so wird im Stator eine Spannung induziert, die über den Statorschalter Es in das Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Die Anpassung, insbesondere die Synchronisierung der in den Stator induzierten Spannung an die Netzspannung Un des Energieversorgungsnetzes wird von der Steuerung ST durch eine entsprechende Ansteuerung des Netz-Umrichters Npr und des Motor-Umrichters Mpr erreicht.
Tritt in dem Energieversorgungsnetz ein Fehler auf und wird dieser Fehler von der Steuerung ST erkannt, so wird der Statorschalter Es von der Steuerung ST sperrend geschaltet. Der Statorschalter Es ist dabei in der Lage, auch unter Last und insbesondere auch bei einem Fehler im Energieversorgungsnetz eine Umschaltung von seinem leitenden in den gesperrten Zustand durchzuführen. Die Umschaltung in den gesperrten Zustand wird dabei bei Erreichen einer vorgegebenen Zwischenkreisspannung Ud oder bei Erreichen eines vorgegebenen Statorstroms Is oder bei Erreichen eines sonstigen Schwellwerts, beispielsweise der Unterschreitung der Netzspannung Un unter einen vorgegebenen Grenzwert, durch die Steuerung ST ausgelöst.
Dies hat zur Folge, dass der Stator des Asynchrongenerators G von dem Transformator T und damit von dem Energieversorgungsnetz abgetrennt ist. Es fließt damit kein Statorstrom Is mehr. Eine weitergehende Aufladung des Zwischenkreises Cd über den Stator und den Rotor ist damit nicht mehr möglich. Die Bauelemente der beiden Umrichter Mpr, Npr sind damit nicht gefährdet und es ist auch nicht notwendig, den Betrieb der beiden Umrichter Mpr, Npr zu beenden.
Mit dem Erkennen eines Fehler in dem Energieversorgungsnetz wird der netzseitige Umrichter Npr derart von der Steuerung ST angesteuert, dass er einen Blindstrom in das Energieversorgungsnetz einspeist. Weiterhin werden die beiden Umrichter Mpr, Npr derart von der Steuerung ST angesteuert, dass ein erwünschter Wirkstrom erzeugt wird, der zur Aufrechterhaltung der Zwischenkreisspannung Ud erforderlich ist.
Nach der Unterbrechung des Statorstroms Is durch den Statorschalter Es wird der rotorseitige Stromrichter Mpr derart von der Steuerung ST angesteuert, dass der magnetische Fluss zu dem fehlerhaften Energieversorgungsnetz schnellstmöglich synchronisiert wird. Dabei überwacht die Steuerung die Netzspannung Un und die Statorspannung Us. Wird die Differenz dieser beiden Spannungen zu Null, was gleichbedeutend damit ist, dass die an dem Statorschalter Es anliegende Spannung zu Null wird, so wird der Statorschalter Es von der Steuerung ST wieder leitend geschaltet. Danach kann der Statorstrom Is von der Steuerung ST mit Hilfe des rotorseitigen Umrichters Mpr derart gesteuert werden, dass von dem Betreiber des Energieversorgungsnetzes vorgegebene Anforderungen für die Einspeisung von Energie im Fehlerfall erfüllt werden.
Ist der Fehler in dem Energieversorgungsnetz wieder beseitigt, so läuft das beschriebene Verfahren in entsprechender Weise erneut ab. Der Statorschalter Es wird also sperrend geschaltet, um dann den magnetischen Fluss mit dem nunmehr intakten Energieversorgungsnetz zu synchronisieren. Sobald dann die an dem Statorschalter Es anliegende Spannung zu Null wird, wird der Statorschalter Es wieder leitend geschaltet, so dass Energie von dem Asynchrongenerator G wieder in das Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Schaltung, bei der ein Asynchrongenerator (G) statorseitig mit einem Energieversorgungsnetz gekoppelt ist, und bei der der Asynchrongenerator (G) rotorseitig über einen rotorseitigen Umrichter (Mpr), einen Zwischenkreis (Cd) und einen netzseitigen Umrichter (Npr) mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Fehler in dem Energieversorgungsnetz die Kopplung zwischen dem Stator des Asynchrongenerators und dem Energieversorgungsnetz durch Sperren eines ein Leistungshalbleiterbauelement aufweisenden Statorschalters (Es) unterbrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Sperren des Statorschalters (Es) der magnetische Fluss des Asynchrongenerators (G) mit dem fehlerhaften Energieversorgungsnetz synchronisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Statorschalter (Es) leitend geschaltet wird, sobald die Differenz zwischen der Netzspannung (Un) des Energieversorgungsnetzes und der Statorspannung (Us) zu Null wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei nach der Behebung des Fehlers in dem Energieversorgungsnetz die Kopplung zwischen dem Stator des Asynchrongenerators (G) und dem Energieversorgungsnetz unterbrochen wird, der magnetische Fluss des Asynchrongenerators mit dem intakten Energieversorgungsnetz synchronisiert wird, und der Stator des Asynchrongenerators wieder mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt wird, sobald die Differenz zwischen der Netzspannung des Energieversorgungsnetzes und der Statorspannung zu Null wird.
Elektrische Schaltung mit einem Asynchrongenerator (G), dessen Stator mit einem Energieversorgungsnetz gekoppelt ist, und dessen Rotor über einen rotorseitigen Umrichter (Mpr), einen Zwischenkreis (Cd) und einen netzseitigen Umrichter (Npr) mit dem Energieversorgungsnetz verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stator und das Energieversorgungsnetz ein ein Leistungshalbleiterbauelement aufweisender Statorschalter (Es) geschaltet ist, der dazu vorgesehen ist, bei einem Fehler im Energieversorgungsnetz eine Umschaltung von seinem leitenden in seinen gesperrten Zustand durchzuführen.
Elektrische Schaltung nach Anspruch 5, wobei der Statorschalter (Es) zumindest einen Thyristor oder einen IGBT (insulated gate bipolar transistor) pro Phase aufweist.