DE102008003299B4

DE102008003299B4 - Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage

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Publication number: DE102008003299B4
Application number: DE102008003299.9A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Engelhardt Stephan; Andrzej Geniusz
Original assignee: Woodward Kempen GmbH
Current assignee: Wind Solutions Dk AS KK
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: US8487461B2; WO2009087150A1; EP2227853A1; CN101919143B; CN101919143A; US20100277134A1; DE102008003299A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine (20), mindestens einem Wechselrichter (27) und mindestens einer Steuerungsvorrichtung (24), wobei über den Wechselrichter (27) zumindest teilweise elektrische Energie in ein Netz (23) eingespeist wird, der Wechselrichter (27) pro Phase mindestens ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens zwei Transistorschaltungen (1, 2; 5, 6; 9, 10) und mindestens zwei Freilaufdioden (3, 4; 7, 8; 11, 12) umfasst und der Wechselrichter (27) unter Verwendung der Steuervorrichtung (24) zumindest zeitweise über eine Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Frequenzen der maschinenseitig durch den Wechselrichter (27) einzuprägenden Strömen von weniger als 10 Hz, vorzugsweise weniger als 6 Hz über die Steuerungsvorrichtung (24) die Einschaltdauer und/oder die Schaltfrequenz der Transistorschaltungen (1, 2; 5, 6; 9, 10) und/oder der Freilaufdioden (3, 4; 7, 8; 11, 12) des Wechselrichters (27) unter Berücksichtigung deren thermischer Erwärmung verändert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine, mindestens einem Wechselrichter und mindestens einer Steuerungsvorrichtung, wobei über den Wechselrichter zumindest teilweise elektrische Energie in ein Netz eingespeist wird, der Wechselrichter pro Phase mindestens ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens zwei Transistorschaltungen und mindestens zwei Freilaufdioden umfasst und der Wechselrichter unter Verwendung der Steuerungsvorrichtung zumindest zeitweise über eine Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert wird. Daneben betrifft die Erfindung ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung eines Prozessors sowie eine Steuerungsvorrichtung einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine einer Windenergieanlage und eine Windenergieanlage.
An Windenergieanlagen werden immer höhere Anforderungen hinsichtlich deren Effizienz und Geräuscharmut gestellt. Da die Geräuschentwicklung der Windenergieanlage mit zunehmender Rotordrehzahl steigt, besteht ein einfacher Weg, die Geräuschentwicklung einer Windenergieanlage zu verringern, darin, deren Rotordrehzahlen zu verringern. Bei der Reduzierung der Rotordrehzahlen kann es vorkommen, dass die doppeltgespeiste Asynchronmaschine längere Zeit im synchronen Betriebsbereich betrieben werden muss. Üblicherweise ist bei der doppeltgespeisten Asynchronmaschine rotorseitig der Wechselrichter vorgesehen. Im synchronen Betriebsbereich werden rotorseitig Ströme mit sehr niedrigen Frequenzen im Bereich von wenigen Hertz eingeprägt, die über einen maschinenseitigen Wechselrichter bereitgestellt werden. Der maschinenseitige Wechselrichter wird also abhängig von der Frequenz der rotorseitig einzuprägenden Ströme betrieben. Die Steuerung des Wechselrichters erfolgt konventionell über eine Pulsweitenmodulation, bei welcher mit einer hohen, konstanten Frequenz die rotorseitig benötigten Sollströme ermittelt und die Leistungshalbleitermodule jeder Phase des Wechselrichters zur Erzeugung der Rotorströme an- und ausgeschaltet werden. Bei sehr niedrigen Frequenzen werden die Bauteile der Leistungshalbleitermodule, üblicherweise sind dies eine Transistorschaltung und eine Freilaufdiode einer entsprechenden Phase, zeitlich nicht gleichmäßig, sondern im Vergleich zu deren thermischen Abkühlverhalten vielmehr punktuell belastet. Die Bauteile der Leistungshalbleitermodule, zumeist zwei IGBT-Module und zwei Freilaufdioden pro Phase, werden aufgrund der längeren Einschaltdauer stark erhitzt, ohne dass der Wärmeabfluss eine Verringerung der Temperatur ermöglicht. Aufgrund des thermischen Verhaltens der Transistorschaltungen bzw. der Freilaufdioden werden diese zum Teil bis zu ihrer maximalen Bauteiltemperatur erhitzt. Die einzige Möglichkeit im synchronen Betriebsbereich der doppeltgespeisten Asynchronmaschine eine entsprechende Erhitzung zu verhindern, ist die Reduzierung der Rotorströme in diesem Rotordrehzahlbereich. Dies führt zu einem deutlichen Leistungsabfall in diesen Rotordrehzahlbereichen. Die Verwendung von zusätzlichen Getrieben zur Vermeidung dieser Drehzahlbereiche erscheint nicht praktikabel, da jede zusätzliche mechanische Installation verschleißanfällig ist. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung der Leistungseinbrüche besteht darin, den Wechselrichter und damit die Leistungshalbleitermodule überzudimensionieren, so dass diese auch im synchronen Betriebsbereich nicht zu stark erhitzt werden. Hiergegen spricht jedoch, dass damit deutlich höhere Investitionskosten verbunden sind.
Der Aufsatz Prediction of Switching Loss Variations by Averaged Switch Modeling von Al-Naseem et al., Applied Power Electronics Conference and Exposition 2000, Seite 242, beschäftigt sich mit Verlusten in pulsweitenmodulierten Konvertern bei niedrigen Leistungen.
Im Aufsatz Zero Vector Modulation Method for Voltage Source Inverter Operating near Zero Output Frequency von Hitti et al., Industry Applications Conference 2004, wird die Problematik von hohen Ausgangsströmen bei niedrigen Ausgangsfrequenzen eines elektrischen Antriebes behandelt.
Die DE 10 2006 006 960 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer pulsweitenmodulierten Elektronik, wobei in zwei Zeitspannen verschiedene Modulationsfrequenzen verwendet werden.
Aus der US 2004/0026929 A1 ist zudem eine Windkraftanlage bekannt, mit welcher ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durchgeführt werden kann.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage zur Verfügung zu stellen, bei welchem auch im geräuscharmen Drehzahlbereich der Rotoren eine verbesserte Leistungsabgabe erfolgt.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein gattungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass bei Frequenzen der maschinenseitig durch den Wechselrichter einzuprägenden Strömen von weniger als 10 Hz, vorzugsweise weniger als 6 Hz, über die Steuerungsvorrichtung die Einschaltdauer und/oder die Schaltfrequenz der Transistorschaltungen und/oder der Freilaufdioden des Wechselrichters abhängig von deren thermischen Verhalten verändert werden.
Im Gegensatz zur konventionellen Ansteuerung der Leistungshalbleiter über eine PWM kann erfindungsgemäß Einfluss auf die Erwärmung der Leistungshalbleitermodule genommen werden, so dass es möglich ist, die Erwärmung der Transistorschaltungen und/oder der Freilaufdioden gezielt zu wählen, d. h. unter Abweichung von dem konventionellen PWM-Verfahren mit konstanter Pulsfrequenz. Im Ergebnis besteht die Möglichkeit beispielsweise über die Verteilung der Strompfade auf unterschiedliche Freilaufdioden bzw. Transistorschaltungen der einzelnen Phasen eine verbesserte Wärmeverteilung zu erreichen. Als Folge muss die Leistungsabgabe der Windenergieanlage nicht oder nicht so stark verringert werden, da höhere Ausgangsströme bei gleicher Auslegung erzeugt werden können.
Wird gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ein rotorseitiger Wechselrichter verwendet, besteht die Möglichkeit den Wechselrichter aufgrund seiner rotorseitigen Anordnung kleiner zu dimensionieren, da der größte Teil der abgegebenen elektrischen Leistung statorseitig in das Netz eingespeist wird.
Die weiter verbesserte Leistungsabgabe einer Windenergieanlage im synchronen Betriebsbereich der doppeltgespeisten Asynchronmaschine kann gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch erreicht werden, dass die Einschaltdauer und/oder die Schaltfrequenz der Transistorschaltungen und der Freilaufdioden zumindest jeweils abhängig von dem Verhältnis der jeweiligen Bauteiltemperatur zur maximalen Sperrschichttemperatur gewählt wird. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt, dass die Verlustenergien der Freilaufdioden und der üblicherweise als IGBT-Module ausgebildeten Transistorschaltungen unterschiedlich sind, so dass bei gleicher Stromlast der Transistorschaltung und der Freilaufdiode unterschiedliche Bauteiltemperaturen vorliegen. Durch Berücksichtigung des unterschiedlichen Erwärmungsverhaltens besteht die Möglichkeit zusätzliche Reserven im Leistungshalbleitermodul auszuschöpfen, ohne in den Bereich kritischer Sperrschichttemperaturen der Bauteiltemperatur zu gelangen.
Wird die Abhängigkeit der Einschaltdauer und/oder der Schaltfrequenz der Transistorschaltungen und der Freilaufdiode von der Bauteiltemperatur durch eine Simulation des thermischen Verhaltens der Bauteile vorbestimmt, kann auf einfache Weise die Erwärmung der Bauteile abgeschätzt und bei maschinenseitigen Stromfrequenzen von weniger als 10 Hz, insbesondere weniger als 6 Hz berücksichtig werden.
Kumulativ oder alternativ zu einer Simulation des thermischen Verhaltens der Bauteile in Abhängigkeit der Einschaltdauer bzw. Schaltfrequenz besteht die Möglichkeit über Sensoren die Bauteiltemperaturen zu bestimmen. Temperatursensoren werden meistens nicht unmittelbar an den Bauteilen selbst, also beispielsweise an den Freilaufdioden platziert, sondern in deren Nähe, so dass über ein Temperaturmodell die Erwärmung der Freilaufdiode oder des IGBT's bestimmt werden kann. Über das Temperaturmodell liefert der Sensor ein Maß für die aktuelle Bauteiltemperatur, so dass insbesondere zusammen mit einer Simulation des thermischen Verhaltens, eine noch exaktere Ausnutzung der Bauteilreserven im Hinblick auf die maximale Bauteiltemperatur ermöglicht wird.
Die thermische Erwärmung der Bauteile wird zudem von Verlustleistungen bestimmt, welche insbesondere bei den Ein- und Ausschaltvorgängen erzeugt werden. Wird gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Anzahl der Schaltvorgänge im Leistungshalbleitermodul verringert, können daher gleichzeitig zusätzliche Leistungsreserven erzielt werden.
Vorzugsweise werden zur Reduzierung der Schaltvorgänge die Leistungshalbleitermodule unter Verwendung eines Flattopverfahrens oder über vorausberechnete Pulsmuster angesteuert. Beim Flattopverfahren wird anstelle einer Raumzeigermodulation innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereichs für den zu modulierenden Spannungs- bzw. Stromzeiger genau eine Ausgangsspannung bzw. -strom eines Bauteils in Vollaussteuerung belassen und damit die Anzahl der Schaltvorgänge reduziert. Typische Winkelbereiche des Strom- oder Spannungszeigers, in welchem die Aussteuerung konstant gehalten wird, sind 30°, 60° und 120°. Bei vorausberechneten Pulsmustern werden diese unter Berücksichtigung verschiedener Parameter, beispielsweise auch der unterschiedlichen Verlustleistungen und Sperrschichttemperaturen der Transistorschaltungen und der Freilaufdioden im Voraus berechnet und als Pulsmuster für ganze Perioden in einer Tabelle abgelegt. Im Betrieb gibt die Steuerungsvorrichtung nur das den Eingangsgrößen, beispielsweise der einzuprägenden Rotorströme, entsprechende Pulsmuster zur Steuerung des maschinenseitigen Wechselrichters aus. Die Schaltfrequenz kann auf diese Weise ebenfalls einfach reduziert werden, da die Betriebsbereiche mit einer geringeren maschinenseitigen Stromfrequenz mit geringeren Schaltfrequenzen betrieben werden können.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein Computerprogramm mit Befehlen, deren Ausführungen einen Prozessor veranlasst, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, gelöst. Gleiches gilt auch für ein Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogramm enthält mit Befehlen, deren Ausführungen einen Prozessor veranlasst, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Computerprogramms bzw. Computerprogrammprodukts wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Die oben aufgezeigte Aufgabe wird gemäß einer vierten Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Steuerungsvorrichtung einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine einer Windenergieanlage gelöst, wobei die Steuerungsvorrichtung einen Wechselrichter einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Netz steuert und Mittel zur Ansteuerung des Wechselrichters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung erlaubt den Betrieb einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine einer Windenergieanlage auch im synchronen Betriebsbereich, ohne dass die Leistungsabgabe deutlich gesenkt werden muss.
Gleiches gilt schließlich auch für eine Windenergieanlage umfassend eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine, mindestens einen Wechselrichter sowie eine Steuerungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Windenergieanlage in Rotordrehzahlbereichen mit geringerer Geräuschentwicklung betrieben werden kann.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das erfindungsgemäße Verfahren, die Steuerungsvorrichtung sowie die Windenergieanlage auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 eine Schaltskizze eines Leistungshalbleitermoduls aus dem Stand der Technik, wie es in Windenergieanlagen pro Strom- bzw. Spannungsphase verwendet wird,
2a) bis 2c) typische Strom-Zeit-Diagramme einer Pulsweitenmodulationssteuerung des Leistungshalbleitermoduls aus 1,
3a) und 3b) Strom-Zeit-Diagramme des Leistungshalbleitermoduls aus 1 angesteuert gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine Schaltskizze des maschinenseitigen, dreiphasigen Wechselrichters, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist,
5 Raumzeigerdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Flattopverfahren,
6 Pulsmuster zur Ansteuerung der Leistungshalbleitermodule der Leitungen L1, L2, L3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie
7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage.
1 zeigt zunächst eine Schaltskizze eines einphasigen Wechselrichters, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die üblicherweise als IGBT-Module ausgebildeten Transistorschaltungen 1 und 2 sorgen zusammen mit den parallel geschalteten Freilaufdioden 3 und 4 dafür, dass durch Schalten bzw. Zünden der IGBT-Module 1 und 2 am Ausgang 5 ein entsprechender Strom mit positiven bzw. negativen Vorzeichen fließt. Beispielsweise sorgt das IGBT-Modul 1 zusammen mit der Freilaufdiode 4 für einen Stromfluss mit positivem Vorzeichen. Das Entgegengesetzte gilt für das IGBT-Modul 2 zusammen mit der Freilaufdiode 3. Die IGBT-Module 1, 2 sowie die Freilaufdioden 3, 4 sind mit einer Spannungsquelle V verbunden, welche beispielsweise die Zwischenkreisspannung des Wechselrichters sein kann. Das Spannungszeitdiagramm in 2a) zeigt nun den Verlauf einer Steuerspannung 6, welche zur Steuerung des Wechselrichters verwendet wird und den Verlauf einer zugehörigen Hilfsspannung 7, wie sie bei der konventionellen Pulsweitenmodulation verwendet wird. An Schnittpunkten der Hilfsspannung und der Steuerspannung werden die entsprechenden IGBT-Module ein bzw. ausgeschaltet.
Für die positive Halbwelle der Steuerspannung 6 sind in den 2b) und 2c) die entsprechenden Ströme in den IGBT-Modulen 1 I₁ sowie in der Freilaufdiode 4 I₄ dargestellt. Zu erkennen ist in 2b), dass das IGBT-Modul 1 während der positiven Halbwelle der Steuerspannung deutlich stärker an der Strombereitstellung beteiligt ist, als die zugehörige Freilaufdiode 4. Hat die Steuerspannung eine ausreichend hohe Frequenz, beispielsweise Netzfrequenz von 50 bis 60 Hz, stellt sich aufgrund des langsamen Wärmeabtransportes aus den IGBT-Modulen 1, 2 bzw. den Freilaufdioden 3, 4 ein thermisches Gleichgewicht ein, welches zu einer gleichmäßigen Erwärmung. der Module bzw. der Freilaufdioden führt, wobei die maximale Stromabgabe des in 1 dargestellten einphasigen Wechselrichters über die konstante Erwärmung der Leistungshalbleiter 1, 2, 3, 4 im Vergleich zu der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur der jeweiligen Bauteile bestimmt wird.
Im Falle besonders geringer Frequenzen der Steuerspannung, beispielsweise von weniger als 10 Hz bzw. 6 Hz, wie sie beispielsweise im synchronen Betriebsbereich von doppeltgespeisten Asynchronmaschinen auftreten, ist leicht vorstellbar, dass die Steuerspannung 6 über einen erheblich längeren Zeitraum den gleichen Wert annimmt. Dies führt im vorliegenden Beispiel dazu, dass das IGBT-Modul 1 im Verhältnis zur Freilaufdiode 4 deutlich länger angesteuert wird und insofern einer sehr viel stärkeren Erwärmung unterliegt und sich kein Gleichgewicht zwischen Erwärmung und Wärmeabtransport einstellen kann.
Darüber hinaus zeigt ein Vergleich der 2b) und 2c), dass unabhängig von den thermischen Eigenschaften der Bauteile, d. h. der IGBT-Module 1 bzw. der Freilaufdiode 4, die Ansteuerung über die Pulsweitenmodulation erfolgt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Freilaufdiode 4 wesentlich kürzere Schaltzyklen bzw. stromführende Zeitzyklen aufweist.
In den 3a) und 3b) ist nun ein Strom-Zeitdiagramm dargestellt, welches unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wird, wobei die Ein- und Ausschaltphasen des IGBT-Moduls 1 und der Freilaufdiode 4 in Abkehr von der. konventionellen Pulsweitenmodulation gewählt werden. Die Einschaltdauer der Freilaufdiode 4 bzw. des IGBT-Moduls 1 kann beispielsweise vorteilhafterweise in Abhängigkeit von dem Verhältnis der jeweiligen Bauteiltemperatur zur maximalen Sperrschichttemperatur des IGBT-Moduls bzw. der Freilaufdiode gewählt werden. Im vorliegenden Beispiel hat die Freilaufdiode 4 deutlich größere Reserven im Bezug auf die maximale Sperrschichttemperatur und wird länger als konventionell angesteuert. Die Anschaltdauer des IGBT-Moduls 1 wird reduziert, um den Stromfluss über beide Bauteile besser zu verteilen. Insgesamt ergibt sich eine verbesserte Verteilung der Verlustleistungen auf beide Bauteile, IGBT-Modul 1 und Freilaufdiode 4. Vorzugsweise wird die Einschaltdauer so gewählt, dass die Bauteiltemperaturen des IGBT-Moduls 1 und der Freilaufdiode 4 gegenüber der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur gleiche Reserven aufweisen.
Um eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens näher zu erläutern, ist in 4 eine Schaltungsskizze eines dreiphasigen Wechselrichters dargestellt, in welcher die IGBT-Module als Schalter 1, 2, 5, 6, 9, 10 dargestellt sind. Zu jedem IGBT-Modul 1, 2, 5, 6, 9, 10 sind jeweils Freilaufdioden 3, 4, 7, 8, 11, 12 vorgesehen. Die Leistungshalbleiter 1, 2, 3, 4 versorgen Phase L1, die Leistungshalbleiter 5 bis 8 Phase L2 und die Leistungshalbleiter 9 bis 12 Phase L3 mit Strom.
Der dreiphasige Aufbau kann nun berücksichtigt werden, um die Anzahl der Schaltvorgänge in Leistungshalbleitermodulen gemäß einem nächsten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verringern, so dass geringere Verlustleistungen auftreten und damit die Erwärmung der einzelnen Leistungshalbleiter geringer ist.
Das Raumzeigerdiagramm in 5 zeigt drei Raumzeigerbereiche 13, 14, 15, in welchen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Komponente, beispielsweise L1 als maximal ausgesteuert gehalten wird. Ein beliebiger Spannungs- bzw. Stromraumzeiger s innerhalb des Bereiches 13 lässt sich dann durch eine Vektoraddition der Komponenten entlang der Achsen L1, L2 und L3 erzeugen, wobei, wie bereits ausgeführt, im Raumzeigerbereich 13 die Komponente L1 maximal (= 1) ausgesteuert wird. Die zugehörige Vektoraddition erfolgt über die Schaltung anderer Leistungshalbleitermodule der Phasen L2 und L3, welche hier mit 16 und 17 bezeichnet sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Raumwinkelbereich, in welchem eine Komponente voll ausgesteuert wird, 60°. Der Raumwinkelbereich kann aber auch anders gewählt werden, beispielsweise 30°. Es wird deutlich, dass die Komponenten der Phase L1, die Bauteile 1, 2, 3, 4 im ausgewählten Raumwinkelbereich nicht geschaltet werden, denn diese sind vollausgesteuert, so dass eine Reduzierung der Anzahl der Schaltvorgänge in einem Strompfad erfolgt. Die Reduzierung der Schaltvorgänge wiederum führt zu einer Verringerung der Verlustwärme in den Leistungshalbleitern, so dass deren Stromabgabe erhöht werden kann.
Eine andere Möglichkeit die Anzahl der Schaltvorgänge zu reduzieren wird dadurch erreicht, dass vorausberechnete Pulsmuster verwendet werden, um die Leistungshalbleiter anzusteuern. Entsprechende Pulsmuster zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter der einzelnen Phasen L1, L2 und L3 zeigt 6. Zu jeder Winkelposition α₁, α₂, α₃ wird ein bestimmtes Schaltmuster in einer Tabelle hinterlegt und entsprechend der Phasenlage abgerufen. Durch eine Optimierung der Pulsmuster auf geringe Schaltfrequenzen sowie deren thermische Auswirkung auf die Leistungshalbleiter ist es möglich, die Anzahl der Schaltvorgänge weiter zu reduzieren. Im Ergebnis wird, wie beim Flattopverfahren, weniger Verlustleistung in den Leistungshalbleitern erzeugt, was zu einer Verbesserung der Leistungsreserven führt.
7 zeigt schließlich in einer Skizze eine Windenergieanlage mit einem Propeller 18, welcher optional über ein nicht dargestelltes Getriebe mit dem Rotor 19 der doppeltgespeisten Asynchronmaschine 20 verbunden ist. Der Stator 21 der doppeltgespeisten Asynchronmaschine 20 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über einen Transformator 22 mit einem Netz 23 verbunden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ermittelt eine Steuerungsvorrichtung 24 die Rotordrehzahl und vergleicht diese mit der über die Messstellen 25 und 26 ermittelten Spannungen bzw. Ströme am Stator 21. Die Steuerungsvorrichtung 24 ist mit dem rotorseitig vorgesehenen Wechselrichter 27 verbunden und steuert einerseits den netzseitig vorgesehenen Wechselrichter 27a und andererseits den maschinenseitig vorgesehenen Wechselrichter 27b. Erreicht nun die Windenergieanlage aufgrund einer Reduzierung der Rotordrehzahl den synchronen Betriebsbereich, beispielsweise um die Geräuschentwicklung zu verringern, werden über den Rotor Ströme mit der niedrigeren Frequenz eingeprägt. Bisher wurde, wie bereits ausgeführt, bei Frequenzen von weniger als 10 Hz bzw. weniger als 6 Hz die Leistungsabgabe der Windenergieanlage deutlich verringert, um die Leistungshalbleiter vor Überhitzung zu schützen.
Die erfindungsgemäße Windenergieanlage schaltet dagegen über die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung 24 von der konventionellen Pulsweitenmodulationsansteuerung des Wechselrichters 27b bei Stromfrequenzen von weniger als 10 Hz bzw. 6 Hz auf das erfindungsgemäße Verfahren um, welches die Einschaltdauer und/oder die Schaltfrequenzen der Transistorschaltungen und Freilaufdioden abhängig von deren thermischen Verhalten verändert. Durch die Veränderung des Ansteuerungsverfahrens wird erreicht, dass die Leistungsabsenkung im Bereich des Synchronismus der doppeltgespeisten Asynchronmaschine bei gleichbleibender Auslegung des rotorseitigen Wechselrichters nicht so stark ausfällt wie bisher üblich. Im Ergebnis kann die Windenergieanlage auch in geräuscharmen Rotordrehzahlbereichen betrieben werden, ohne eine große Leistungseinbuße zu verzeichnen.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine (20), mindestens einem Wechselrichter (27) und mindestens einer Steuerungsvorrichtung (24), wobei über den Wechselrichter (27) zumindest teilweise elektrische Energie in ein Netz (23) eingespeist wird, der Wechselrichter (27) pro Phase mindestens ein Leistungshalbleitermodul mit mindestens zwei Transistorschaltungen (1, 2; 5, 6; 9, 10) und mindestens zwei Freilaufdioden (3, 4; 7, 8; 11, 12) umfasst und der Wechselrichter (27) unter Verwendung der Steuervorrichtung (24) zumindest zeitweise über eine Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Frequenzen der maschinenseitig durch den Wechselrichter (27) einzuprägenden Strömen von weniger als 10 Hz, vorzugsweise weniger als 6 Hz über die Steuerungsvorrichtung (24) die Einschaltdauer und/oder die Schaltfrequenz der Transistorschaltungen (1, 2; 5, 6; 9, 10) und/oder der Freilaufdioden (3, 4; 7, 8; 11, 12) des Wechselrichters (27) unter Berücksichtigung deren thermischer Erwärmung verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein rotorseitiger Wechselrichter (27) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer und/oder die Schaltfrequenz der Transistorschaltungen (1, 2; 5, 6; 9, 10) und/oder der Freilaufdioden (3, 4; 7, 8; 11, 12) zumindest jeweils abhängig von dem Verhältnis der jeweiligen Bauteiltemperatur zur maximalen Sperrschichttemperatur gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer der Transistorschaltungen (1, 2; 5, 6; 9, 10) und der Freilaufdioden (3, 4; 7, 8; 11, 12) so gewählt wird, dass die Bauteiltemperaturen jeweils im gleichen Verhältnis zur maximalen Sperrschichttemperatur des jeweiligen Bauteils stehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit der Einschaltdauer und/oder der Schaltfrequenz der Transistorschaltungen (1, 2; 5, 6; 9, 10) und der Freilaufdiode (3, 4; 7, 8; 11, 12) von der Bauteiltemperatur durch eine Simulation des thermischen Verhaltens der Bauteile vorbestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über Sensoren die Bauteiltemperaturen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schaltvorgänge im Leistungshalbleitermodul reduziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung der Schaltvorgänge die Leistungshalbleitermodule unter Verwendung eines Flattopverfahrens oder über vorausberechnete Pulsmuster angesteuert werden.
Computerprogramm mit Befehlen, deren Ausführung einen Prozessor veranlasst, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogramm enthält mit Befehlen, deren Ausführung einen Prozessor veranlasst, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
Steuerungsvorrichtung (24) einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine (20) einer Windenergieanlage, wobei die Steuerungsvorrichtung (24) einen Wechselrichter (27) einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine (20) zur Einspeisung elektrischer Energie in ein Netz (23) steuert und Mittel zur Ansteuerung des Wechselrichters (27) nach einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 8 vorgesehen sind.
Windenergieanlage umfassend eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine (20), mindestens einen Wechselrichter (27) sowie Steuerungsvorrichtung (24) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.