Synchroner Betrieb von doppeltgespeisten Drehstrom-Asynchrongeneratoren
Final Report Abstract
Diese Arbeit befasst sich mit dem synchronen Betrieb von doppeltgespeisten Asynchrongeneratoren (DASG), die vorrangig als Generatoren in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen. Im Synchronarbeitspunkt ist der Schlupf gleich Null, d.h. der Rotor rotiert synchron mit dem Drehfeld. Gemäß dem derzeitigen Stand der Technik wird dieser spezielle Betriebspunkt vermieden. Als Gründe werden u.a. genannt: die ungleichmäßige thermische Beanspruchung von Leistungselektronik und Maschinenbauteilen sowie regelungstechnische Probleme. Zielstellung dieses Projektes war die Überprüfung dieser Thesen sowie ggf. das Entwickeln von Lösungsstrategien, die einen synchronen Betrieb ermöglichen. Die Arbeiten begannen mit der Entwicklung einer verallgemeinerten Beschreibung des stationären Betriebsverhaltens im Synchronarbeitspunkt, wobei auf Ansätze aus der Theorie der Synchronmaschinen zurückgegriffen wurde. Dabei beziehen sich die elektrischen Größen, wie Rotor- und Statorstrom, auf ein rotierendes Koordinatensystem, wodurch sich die Modellgleichungen vereinfachen. Im darauffolgenden Abschnitt wurde, basierend auf dem Modell, eine neuartige Reglerstruktur ausgearbeitet. Als Ansatz diente zunächst eine Kaskadierung, wobei an unterster Stufe zwei Stromregelkreise angeordnet sind. Darüber befindet sich eine Struktur zur Regelung von Drehmoment und Blindleistung, wobei als Regelgrößen der Polradwinkel und der Betrag des Rotorstromes gewählt wurden. Aus dem Regler und einem modellierten Abbild des DASG wurde ein numerisches Simulationsmodell aufgebaut und untersucht. Dabei wurde in der Tat eine Resonanz des elektromagnetischen Systems festgestellt. Bei geeigneter Reglereinstellung besteht jedoch keine Gefahr einer Instabilität. Zur Reduzierung der Drehmomentschwingungen wurde der Standardregler um weitere Konzepte, wie einer Drehzahlrückführung, ergänzt. Als explizite Schwierigkeiten stellten sich zum einen die Verkopplung der Regelkreise für Drehmoment und Blindleistung und zum anderen vorhandene Nichtlinearitäten heraus. Im weiteren Verlauf wurde die Problematik der ungleichmäßigen Erwärmung von Stromrichter und Rotor des DASG fokussiert. Hintergrund ist, dass die Rotorströme im Synchronpunkt zeitlich konstant, aber vom Betrag her verschieden sind und daher unterschiedliche Strom Wärmeverluste hervorrufen. Zur Untersuchung der Auswirkungen auf die Leistungselektronik wurde zunächst das Modell eines geregelten DASG samt rotorseitigem Wechselrichter in Matlab/Simulink implementiert. Die damit durchgeführten Untersuchungen dokumentieren die unterschiedlichen thermischen Beanspruchungen der Wechselrichterzweige. Die Sperrschichttemperatur der Halbleiter des am meisten belasteten Zweigs erreicht deutlich größere Werte als im Asynchronbetrieb. Durch transiente Analysen wurde zudem auf den Einfluss der Schlupffrequenz hingewiesen. Bei der Dimensionierung des Wechselrichters sollte diesen Erkenntnissen Rechnung getragen werden. Eine einfache Lösung, die ungleiche thermische Belastung zu vermeiden, wäre es, stets einen kleinen Restschlupf beizubehalten. Dieser müsste auf die thermische Zeitkonstante abgestimmt sein. Als Letztes wurde die ungleiche Erwärmung des Rotors am Beispiel eines 1,5 MW-DASG bei Synchrondrehzahl betrachtet. Dabei wurde zunächst festgestellt, dass sich im Vergleich zum Asynchronfall bei gleicher Stromamplitude weder die Verlustleistung noch die mittlere Temperatur des Rotors ändert. Demzufolge bleiben thermische Randbedingungen, wie die mittlere Kühlmitteltemperatur, unverändert. Als Ergebnis stand eine Erhöhung der Übertemperatur von 85% gegenüber dem asynchronen Betriebsfall bei gleicher Belastung. In der Regel wird die Geschwindigkeit des DASG gemäß einer kubischen Leistungskennlinie angepasst (bekannt als Maximum Power Point Tracking, MPPT). Die Folge ist, dass die Maschine im Synchronpunkt nicht mit voller Nennleistung betrieben wird, sofern der Nennbetriebspunkt im übersynchronen Bereich liegt. In diesem Fall sind auch die Verlustleistungen reduziert, weshalb die 85% Übertemperaturerhöhung in absoluten Zahlen gering ausfällt und keine Schäden zu erwarten sind.
Publications
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Optimal Reactive Power Sharing with the Doubly-Fed Induction Generators in Wind Turbines. TU-Dresden: Dissertation, 2008
B. Rabelo
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Implememation of a Resonant Controller for DASG Torque Control. Interner Bericht, 2009
F.M. Ferreira
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Investigation of Doubly-Fed Induction Generator Drives Behaviour at Synchronous Operating Point in Wind Turbines. EPE 2009, Barcelona
M. Bruns, B. Rabelo, W. Hofmann
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Untersuchung des synchronen Betriebs doppeltgespeister Drehstrom-Asynchrongeneratoren. Fachbericht 119, S. 135-141, Intemationaler ETG Kongress 2009, Düsseldorf
B. Rabelo, W. Hofmann
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Doubly-fed Induction Generator Drives for Wind Power Plants. In: Wind Power (Eds. Muyeen), S. 113-140, ISBN 978-953-7619-81-7. Vukovar: Intech, 2010
B. Rabelo; W. Hofmann
