Direkte Leistungsregelung (DLR) zur Rotorspeisung von doppeltspeisenden Drehstrom-Asynchrongeneratoren mit optimaler Gleichtaktspannungsbildung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde ein gleichtaktspannungsminimales Pulsmuster zur Ansteuerung der Umrichter eines doppeltgespeisten Asynchrongenerators auf Basis einer direkten Leistungsregelung und unter Berücksichtigung des Stromvorzeichens entworfen und implementiert. Das Ziel war, die Amplitude der Gleichtaktspannung in dem Maße zu minimieren, dass keine schädlichen EDM-Ströme mehr auftreten. Aufgrund der diskreten Ausgangsspannungen der beteiligten Umrichter ergeben sich ebenfalls diskrete Gleichtaktspannungsamplituden. Die Vorteile der einfachen Berechnungsvorschriften für eine direkte Regelung wurde mit den Vorteilen einer konstanten Schaltfrequenz durch eine Raumzeigermodulation versucht zu kombinieren. Theoretische Arbeiten zeigen die Funktionsweise auf, stellten aber auch die Grenzen in Hinblick auf die Minimierung der Gleichtaktspannung deutlich dar. Diese anfangs als vielversprechende dargestellte Methode erwies sich als nicht zielführend. Aufgrund der zwei Stromrichter (netzseitig und maschinenseitig) ergeben sich bestimmte Vektorkombinationen, bei denen die Gleichtaktspannung zu Null wird. Dabei können die sechs aktiven Schaltvektoren in zwei Gruppen hinsichtlich ihrer Parität unterteilt werden. Die Bedingung, dass die Schaltvektoren beider Umrichter zu jedem Zeitpunkt der selben entsprechen müssen, konnte durch geschickte Anpassung der Schalttabellen erreicht werden. Dabei zeigte sich, dass eine Betrachtung mit idealen Schaltern nicht ausreichend ist und es während der Schaltvorgänge zu unerwünschten Ausreißern kommt. Weitere Untersuchungen zeigten den Zusammenhang zwischen dem Stromvorzeichen der Phase und der Gleichtaktspannung während der sicherheitsbedingten Totzeit auf. Daraus wurde ein neuer Kommutierungsalgorithmus entwickelt, bei dem die Änderung der Phasenspannung aller an einer Schalthandlung beteiligten Phasen zeitgleich stattfindet. Dazu wurde eine Schaltung zur Bestimmung des Stromvorzeichens auf Grund der Kollektor-Emitter-Spannung am IGBT entworfen und realisiert. Für identische Flankensteilheiten kann so die Gleichtaktspannung vollkommen eliminiert werden. Leider sind die Ein- und Ausschaltzeiten der Leistungshalbleiter nicht identisch, so dass kleine Ausreißer im Verlauf der Gleichtaktspannung sichtbar werden. Ein weiterer negativer Einfluss ist die deutliche Abhängigkeit der Flankensteilheit vom Laststrom beim Ausschaltvorgang. Trotz dieser Einschränkungen konnte die Dauer eines solchen Ausreißers in der Gleichtaktspannung von 25 µs (entsprechend eines Abtastintervalls der direkten Leistungsregelung) auf wenige ns reduziert werden. Ausgehend von einer direkten Leistungsregelung ohne Minimierung der Gleichtaktspannung wurde die Anzahl an Schaltflanken um fast 72% reduziert. Ebenso konnte der Effektivwert der Gleichtaktspannung bezogen auf die Zwischenkreisspannung um nahezu 93% vermindert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Common mode voltage minimized direct power control of the grid side connected converter in doubly fed induction generators“. Proceedings of the International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), S. 1455–1459, 2008
Rückert, B. und Hofmann, W.
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„Enhanced direct power control of doubly fed induction generators“. Proceedings of the 14th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), T3: S. 27–33, 2010
Rückert, B. und Hofmann, W.
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„Commutation Strategy for Minimized Common Mode Voltage Using Direct Power Control“. Proceedings of the 27st Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2012
Rückert, B. und Hofmann, W.
