Beitrag zur Entwicklung leistungselektronischer Komponenten für Windkraftanlagen DISSERTATION

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1 Berag zur Ewcklug leugelekrocher Kompoee für Wdkrafalage DISSERTATION Zur Erlagug de akademche Grade Dokorgeeur (Dr.-Ig.) der Fakulä für Elekroechk ud Iformaoechk der Techche Uverä Ilmeau vorgeleg vo Dpl.-Ig. Uwe Rädel Guacher: Prof. Dr.-Ig. habl. Jürge Pezold, TU Ilmeau Prof. Dr.-Ig. habl. Gerhard Herold, Uverä Erlage-Nürberg Dr.-Ig. Tore Schü, Wd o Eergy GmbH Tag der wechaflche Auprache: ur:b:de:gbv:lm-8

2 Zuammefaug Rädel, Uwe Berag zur Ewcklug leugelekrocher Kompoee für Wdkrafalage 73 See, 63 Blder, 7 L. Techche Uverä Ilmeau, Fakulä für Elekroechk ud Iformaoechk, Derao A, 8 De Arbe bechäfg ch m augewähle Probleme vo Wdkrafalage (WKA), de de elekrche Eergewadler beehed au Geeraor ud Umrcher bereffe. Drehzahlfee Sallalage pee be eem Alaufvorgag m arkem Wd de Nezrom oberhalb de Newere Nez. E koe m eem paeere Verfahre gezeg werde, da durch Nuzug ee parallele Lawderade deer Srom uerhalb de Newere gehale werde ka. Be Abbremvorgäge vo der chellere auf de lagamere Drehzahlufe polumchalbarer Geeraore köe elekrche Schwguge mel regelugechche Egrff über ee Drehromeller vermede werde. E werde Aäze, we der Bereb eer drehzahlvarable Sallalage auehe ka, beproche. De Wahl der Arbepuke m Leugkelefeld der WKA bemm de Drehzahlberech der Alage ud de davo abhägge owedge Überdmeoerug de Umrcher oder aleraver Lae zur Leug- ud Eergeaufahme. De Weere werde verchedee Umrcheropologe (gepuler Spaug- ud Sromwechelrcher, Hoch- ud Tefezeller owe Dodebrücke) für de Doppelgepee Aychromache (DGASM) meader verglche. Für de Varae roorege Dodebrücke m Hochezeller wrd mulav gezeg, da da Drehmome m dem Hochezeller auf koae Were geregel werde ka. Dabe wrd de Aychromache jedoch m arke Sromoberchwguge belae, de vom ezege Wechelrcher augeglche werde müe. Für da Uerchwgugverfahre werde augewähle Offefukoe Bezug auf de eehede pulfrequee Spekre ueruch. Ee eue Erke leg beodere dar, da durch e gezele Verchebe der Phaelage de Trägergal vo ez- zu macheegem Wechelrcher der DGASM der Oberchwgugael de Nezrome m doppeler Pulfrequez verrger werde ka. Verchedee Kofguraoe de Pulfrequezfler werde augeleg. Deallere Ewurfglechuge für de Wechelrcher der DGASM uer Berückchgug der Sreudukvä de Geeraor ud der Flerdukvä de ezege Wechelrcher werde vorgeell. M dee Glechuge werde augehed vo de Parameer be maxmaler Sperrchchemperaur der Halbleer dere Verluleugaele arbepukabhägg ermel. Schleßlch werde Kofguraoe de Schuzkozepe vo Geeraor ud Umrcher der DGASM be Saor- bzw. Nezpaugebrüche vorgeell. Für ege Wor-Cae- Aahme werde krche maxmale Srom- ud Drehmomebelauge bemm. E wrd kurz ee,5 MW-Veruchalage m DGASM ud feldoreerer Regelug vorgeell.

3 Abrac Rädel, Uwe Developme of Power Elecroc coverer opologe ad corol cocep for Wd urbe 73 page, 63 fgure, 7 referece leraure Techcal Uvery Ilmeau, Faculy of Elecrcal Egeerg ad Iformao Techology, Derao, 8 Th he deal over cera elecve problem occurrg he wd urbe, more pecfc o elecrcal eergy covero ug geeraor ad coverer. The fxed peed all corolled wd urbe geerally jec more curre over ad above he raed curre durg he arg phae uder rog wd codo. A developed paeed cocep llurae he ue of parallel load reor uder uch codo, o reduce he oal curre delvered o grd ad o brg magude wh he raed curre rage. By wchg from a faer o a lower peed ep, he pole chageable geeraor ca deal wh elecrcal ocllao hrough corol of a parallel hyror brdge. The bac workg cocep of varable peed all corolled wd urbe lluraed h work. The choce of he operag po o he power curve of he wd urbe deerme he geeraor peed rage ad herefore, h eceae he over dmeog of coverer or alerave load, o coume exra power ad eergy of he wd roor. Furhermore, he everal coverer opologe (PWM baed volage ad curre coverer, boo ad buck coverer ad dode brdge) for he doubly fed duco geeraor (DFIG) are compared wh each oher. For he cae of roor de dode brdge wh boo coverer, a mulao baed reul how ha he orque ca be regulaed a a coa value by he boo coverer. I dog o, however he duco geeraor draw harmoc curre, whch eeded o be compeaed by he grd de coverer. For he e ragle modulao, varou offe fuco were choe ad here correpodg pule frequecy pecrum wa aalyzed. Durg h aaly, oe ewer gh come o lgh, ha o elecve phae hfg of he modulag ragle wave of he roor de verer wh repec o he grd de verer modulao of DFIG, oe ca compeae a par of he curre harmoc. Varou cofgurao of he wchg rpple fler were deged. Dealed deg equao were formulaed for he DFIG - verer, akg o accou he ray ducace of he geeraor ad he fler ducace of he grd de verer. Wh hee equao, he varou poro of power loe of he emcoducor devce for a gve operag po were calculaed aumg maxmum juco emperaure. Fally, varou cofgurao of he proeco cocep for he geeraor ad DFIG-verer aga he aor/grd de volage dp are propoed. For cera wor cae codo, crcal maxmum curre ad orque lm were emaed. I h he, a.5 MW-prooype wd urbe wh DFIG ad feld oreed corol raegy brefly lluraed.

4 Vorwor De vorlegede Arbe ead währed mee Promooudum a der Techche Uverä Ilmeau m Fachgebe Leugelekrok ud Seueruge der Elekroeergeechk der Fakulä für Elekroechk ud Iformaoechk. Me Dak gl meem Dokorvaer Herr Profeor Dr.-Ig. habl. Jürge Pezold für de Gelegehe, Aregug ud Uerüzug zur Durchführug deer Arbe owe für de Überahme der Beguachug. Herr Prof. Dr.-Ig. habl. W. Ge ud Herr Dpl.-Ig. J. Forma möche ch beoder für da große Ieree dake, da e mr währed der Abfaug der Arbe egegebrache. Be Herr Prof. Dr.-Ig. habl. G. Herold der Fredrch-Alexader-Uverä Erlage- Nürberg ud Herr Dr.-Ig. T. Schü der Frma Wd o Eergy GmbH bedake ch mch gaz herzlch für de Überahme der bede Beguachuge. Weerh möche ch mch be de Kollege de Fachgebee für de kameradchaflche Hlfe ud Zuammearbe bedake ud bem ISLE für de Uerüzug zur Fergellug der Arbe. Frau Büer ud Frau Schöe dake ch für da Erelle veler Zechuge. Schleßlch möche ch mch be mee vele Freude für hre moralche Uerüzug bedake. Ilmeau, m Herb 8 Uwe Rädel

5 Ihalverzech Eleug Überblck Phykalche Grudlage zur Wdkraf Smulaomehodk... Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge Überch Aforderuge au Nezch Aforderuge au Sch der Wdkrafalage Verglech der Alageype Gegeüberellug vo Sall- ud Pchalage Gegeüberellug vo drehzahlfee ud drehzahlvarable Alage Gegeüberellug der Varae ASM ud SM m Vollumrcher ud Doppelgepee Aychromache....5 Zelelluge für de Arbe... 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug Problembechrebug Ueruchug de Alaufverhale vo Sallalage Akve Schwgugdämpfug Drehzahlvarable Sallalage Kozep Überlagere Leugregelug Smulao der überlagere Regelug Amerkuge... 38

6 5 Topologe für roorege Umrcher Verglech vo gepulem Spaugwechelrcher m gepulem Sromwechelrcher Verglech de Drehzahlbereche zwche über-/uerychroer ud ur uerychroer Berebwee Topologeverglech Varae : Gepule Spaugwechelrcher Varae : Gepule Sromwechelrcher Varae 3: Rooreg gepuler Sromwechelrcher m Hochezeller Varae 4: Gepule Spaugwechelrcher m Hoch- ud Tefezeller Varae 5: Roorege Sechpuldodebrücke m Hochezeller Varae 6: Roorege Parallelchalug vo Spaugwechelrcher ud Dodebrücke Varae 7: Nezege Dodebrücke ud rooreger Spaugwechelrcher Faz Modulaoverfahre Eehug vo pulfrequee Sromoberchwguge Herleug de Spaugpekrum Verglech uförmger Offefukoe Verglech m ochacher Offefuko Beoderhee be der Doppelgepee Aychromache Fler für de Doppelgepee Aychromache Sufler Nez- ud Traformaormpedaz Nezromgrezwere für Oberchwguge... 78

7 7.4 Flerkofgurao Wahl der Pulfrequez Flerüberragugfuko Parameerbemmug Eflu de macheege Wechelrcher Sromrppel durch de macheege Wechelrcher Reulerede pulfrequee Seebäder der Wechelrcheraugagpaug Dmeoerug der Sromrcher für de Doppelgepee Aychromache Leugkurve, dealere Sromkurve ud Aueueruggrade Dealerere Bemmug vo Sröme ud Spauge Aufelug de Wechelrcherrome auf Dode ud IGBT Bemmug der Verluleuge der Wechelrcher Schuzkozep Problemak Schalugvarae Fehlerfallmulaoe... Veruchalage Aufbau Regelrukur der ASM Augewähle Srom- ud Spaugverläufe... 6 Zuammefaug ud Aublck Bewerug der Ergebe Beeug zuküfger Aufgabe... 3

8 Ahag Smulao der Doppelgepee Aychromache m Dodebrücke ud Hochezeller Bemmug eer Modulaofuko m dre- ud eufachem Su Smulao der Aeuerug der Wechelrcher m zeverezem Sägezahgal Bemmug der Rppel m Srom durch de Flerdukvä Smulaoergebe zu de Sromoberchwguge am ezege Fler Glechuge zur Sromrcherdmeoerug Verefache Glechuge der Doppelgepee Aychromache Deallerere Berechuge der Arbepuke Glechuge zur Sromaufelug de Phaerome auf Dode ud IGBT am Wechelrcher Varao de Leugfakor ud der Nezpaug Fehlerfallmulaoe zur Doppelgepee Aychromache be Nezpaugebruch Verzech der verwedee Abkürzuge ud Formelzeche Leraurverzech

9 Eleug Eleug. Überblck Der vom Meche verurache Ael am ch abzechede Klmawadel ee der krche Bedrohuge für de Mechhe uerer Ze. Nach der Erklärug de Welklmarae der Aeg der Durchchemperaur auf maxmal Grad zu begreze [IPCC, N]. Um de zu erreche, der weere Erag ahropogeer Trebhaugae de Amophäre de äche Jahrzehe ark zu reduzere. Dabe komm dem Eraz foler Eergeräger durch regeerave ee zerale Bedeuug zu. Nebe der Nuzug vo Waerkraf, Bomae, Solareerge ud Erdwärme de melfrg durch de verärke Aubau der Wdkraf zu erreche. I Deuchlad ha de Wdkraf m Sad Ede 7 m,5 GW allerer Leug ud eem poezelle Jahreeergeerrag vo 4 TWh ee Ael vo 7,4 % am Neoromverbrauch [Ed]. Da vele wdgüge Fläche bere beleg d, geh de Ewcklug h zu Offhorealage ud dem Auauch kleerer ud älerer Alage durch weger ud leugärkere eue Wdkrafalage (WKA), d. h. zum ogeae Repowerg. B lau Leude 7 Aubauraege Ereuerbare Eerge [N] der Aubau auf 37 GW allerer Wdkrafleug m eem poeelle Jahreeergeerrag vo 8 TWh/a gepla: Ohore 7 GW m 47 TWh/a ud Offhore GW m 35 TWh/a, m Jahre 3 Offhore da GW. Welwe geh ma vo eem arkem Wachum ebe Europa auch Nordamerka, Ide ud Cha au, vo derze 74 GW(Ede 6) auf 3 GW (b Ede ) [BTM]. De durchchlche Leug derze allerer Alage leg be kapp MW, de der größe Alage cho über 5 MW [Ed]. Zelellug der Arbe e, auf augewähle Probleme, de m Zuammehag m dem elekrche Tel de Eergewadler, der Ehe au Geeraor ud Leugelekrok, beehe, deallerer ezugehe ud Löugaäze azubee. Zu Beg werde ege für de vorlegede Arbe wchge Grudlage zur Phyk der Wdkraf ud zur geuze Smulaomehodk vermel. De Arbe gb da ee Überblck ud ee Verglech über de derzeg echch volle Wdkrafalagekozepe. Darau wrd hre deallere Zelellug abgelee, ehe Abch.5. Beged 5

10 Eleug be dem elekroechch geehe efache Kozep drehzahlfeer Alage m Aychrokurzchlugeeraor Kapel 3 werde dere Alaufverhale ueruch ud Verbeeruge vorgechlage. I Kapel 4 werde grudlegede Überleguge zur derze ch umgeeze Varae drehzahlvarabler Sallalage ageell. Möglche Umrcheropologe beodere für de derze de Mark domerede Eergewadler m Doppelgepeer Aychromache (DGASM) werde Kapel 5 aufgeführ ud m der ypche Varae beehed au roor- ud ezegem Pulpaugwechelrcher verglche. Dabe wrd de Varae m Dodebrücke ud Hochezeller äher berache. Da Kapel 6 behadel da verchedee Offefukoe für Verfahre zur Modulao vo Wechelrcheraugagpauge ud zeg Beoderhee be der DGASM. Auf de Bemmug der Flerkompoee wrd Kapel 7 egegage, bevor da Kapel 8 de Sromrcherdmeoerug für de DGASM ud ee Verluleugabchäzug für de Halbleer vorgeomme wrd. I Kapel 9 wrd der Focu auf de Eflu vo Nezfehlerfälle auf de Leugelekrok geleg, kluv eger Smulaoe zu Wor-Cae- Belauge u. a. de Geeraor. Ergebe zu eer,5 MW-Veruchalage eer DGASM werde Kapel gezeg. Darüber hau gb e weere Themefelder Bezug auf de Wdkrafuzug, de ch Beadel deer Arbe d: De Offhoreechologe ell ebe beodere korukve (raue Umgebugbedguge) ud Zuverlägkeaforderuge (chwerge Warugud Reparaurbedguge) auch Frage a ee güge Eammlug der Eerge erhalb de Wdpark owe a de Abdug de lokale Neze a da Felad: Zur Debae ehe derzeg de herkömmlche Drehrom- oder de Hochpaugglechromüberragug (HVDC). Dabe d auch ee Kopplug der Umrcher der WKA erhalb de Wdpark bzw. m der HVDC-Überragug we z. B. e gemeamer Glechpaugzwchekre oder e lokale Ielez der Dkuo [ABB], [Ah], [Bau-4], [Lu], [Lu], [Lu], [Mar]. De Iegrao der küfg ark aegede Zahl vo Wdkrafalage da beehede Elekroeergeez ee weere zulöede Aufgabe. Schwore d der erhöhe Regelleugbedarf, der Nezaubau ud de Wdromprogoe [Dea], [eo], [Leo], [Kl], [Da]. Zur Ueruchug der Wechelwrkug zwche de WKA ud dem Verorgugez pel auch de Modellbldug für de ezele Alageype m Zuammehag m Sabläprobleme m Nez ee gewchge Rolle [Mor], [Tru], [Pe], [Zho], [Zho], ehe auch Kapel 9 Schuzkozep. 6

11 Eleug. Phykalche Grudlage zur Wdkraf Al Ergeb der efache Impulheore ach Bez [Hau] erhäl ma de a eem Wdroor umgeeze Leug: P w p = c p ( λ) v w ³ A (.) m: P w am Roor umgeeze Wdleug (W) c p (λ) Roorleugbewer (-) p v w A Lufdche (kg/m³),,3 kg/m³ be Normal Null Wdgechwdgke (m/) Roorkrefläche (m²) De Wdleug demach proporoal zur Roorfläche ud zur dre Poez der Wdgechwdgke. Der Roorleugbewer da Verhäl au mechacher Leug ud der de ugeöre Lufrome. Er beräg m Idealfall,59 ud ee Fuko der Schelllaufzahl λ, ehe auch Kapel.4.. v u λ = (.) v w m: λ Schelllaufzahl (-) v u Umfaggechwdgke der Blapze (m/) Se abhägg vom Blaeellwkel, ehe Abb... Ma ka de Schelllaufzahl auch al e Maß für de Arömwkel de Wde zum Flügel berache. Dabe gb e geau ee Wkel (ee Schelllaufzahl), be dem der Roorleugbewer maxmal wrd, ehe auch Abb. 4.4: c p.op = f ( λ ) op m: c p.op opmaler Roorleugbewer λ op opmale Schelllaufzahl 7

12 Eleug Abb.. Roorleugkefeld be Pchalage (au [Hau], Bld 5.8) Weerh ka ma deer Kele aufgrud der kubche Abhäggke der Wdleug vo der Wdgechwdgke auch ee Puk aumache, be dem auf ee koae Drehzahl bezoge de Wdleug maxmal wrd. Be c p.pmax eprch folglch der Aeg der Kele eer kubche Fuko (Abb. 4.4). Elecrcal Power P/P e ASM P e P op Parameer v w wd peed Turbe peed / e Abb.. Elekrche Leug Abhäggke vo der Drehzahl (au [DeDo]) De Abhäggke der Wdleug vo der Drehzahl (für ee koae Blaeellwkel) Abb.. dargeell. De Kele für ee drehzahlvarable Alage (ro) verbde de Leugmaxma für de jewelge Wdgechwdgke ( P el = P op = f (c p.op )) meader, währeddee de Leugkurve für ee drehzahlfee ASM (grü) deer Abbldug ledglch ee Gerade darell. De Arbekele für drehzahlvarable Alage 8

13 Eleug (bzw. de Grezleugkurve) ka auch vo der m opmalem Roorleugbewer abweche ud om ee chkubche Verlauf habe. Ibeodere größere Alage werde au Grüde der Geräuchemo m obere Leugberech be edrgere Drehzahle berebe; de maxmal uzbare Drehzahl om begrez. Weerh gb e och ee Drehzahlberech m koaer Neleug, erhalb dee de Drehzahl über de Blaeellwkel (Pchwkel) geregel wrd. De Leugkurve für ee drehzahlfee Sallalage wrd gewöhlch al Fuko der Wdgechwdgke dargeell, ehe Abb..3 (gelbe Kurve). Deulch e augepräge (lokale) Maxmum be der ugefähre Neleug zu erkee ( P max = f (c p.pmax )). Be höhere Wdgechwdgkee fäll de Leug weder deulch ab. Zum Verglech dazu auch de Kurve eer drehzahlvarable Pchalage egerage. Im uere Drehzahlberech wrd e Leuggew durch Bereb m opmalem Roorleugbewer (c p.op ) errech. Im obere Leugberech ka de abgegebee Leug durch de Pchareb koa gehale werde. Abb..3 Leugkurve eer Sallalage (gelb) ud Leuggew (blau) be Verglech m eer drehzahlvarable Pchalage (ro), (au [DeDo]) WKA werde er oberhalb eer mmale Echalwdgechwdgke berebe. Daruer de Alage ch wrchaflch berebbar. Nach obe h bleb de WKA ab der Auchalwdgechwdgke au Scherhegrüde außer Bereb. Nebe der ochache Wdcharakerk verurache u. a. och der Turmchaeeffek ud dee Folge auch de Torowelle, beodere be drehzahlfee Alage, Schwakuge m Drehmome ud der Leugabgabe. Der Turmchaeeffek 9

14 Eleug verurach aufgrud de Wdau ee perodche Leugebruch, der be jedem Vorbegag ee Flügel am Turm der WKA aufr. Er ka mel eer Koufuko achgeblde werde (ehe Abb. 3.3 m m w ). Agereg vo Momechwakuge auf der Wdroor- oder der Geeraoree führ da be der zwche bede zur Dämpfug bzw. Ekopplug agebrache Torowelle zu zuäzlche Schwguge, ehe Abb. 3. ud Abb Nähere zur Techk ud zu de Grudlage vo WKA owe auch lw. zu de adere deer Arbe behadele Problemake wrd der folgede Leraur auführlch behadel: [Hau], [He], [Ga], [Bur]..3 Smulaomehodk Um leugelekroche ud m he verbudee regelugechche, mechache ud wdpezfche Syeme zu ueruche, d je ach Ueruchuggegead verchedee Heragehewee voll. Ee de Smulao ahad geegeer Modelle. Dabe der Proze der Modellerug für kouerlche Syeme mel explzer Dfferealglechuge darzuelle. Ibeodere für de Wdproblemak d chleare Kele ezuarbee. Für regelugechche Aufgabe ka de Darellugform vo Dfferezeglechuge für dkouerlche Syeme m feer Schrwee voll e. Je ach Aufgabeellug de Wahl der Modellebee zu reffe. Je deallerer de Ergebe werde olle, deo höher der Aufwad zur Erellug de Smulaomodell ud der Rechezeaufwad. So ka e Sromrcher owohl al Melwermodell b h zu eem deallere Schalermodell cl. Durchla- ud Schalerverlue achgeblde werde [Del]. Al Smulaowerkzeuge für dee Arbe dee de Programme Dgm, e a der TU Ilmeau ewckele Tool [Kra], ud Smulk, e kommerzelle Produk vo MahWork ud zugehörg zu Malab. Bede Programme behale ee Nulldurchgagerkeug ud ermöglche de Berechug verchedee Srukure, d. h. je ach Schalzuad de Nuzug verchedeer Dfferealglechugyeme, ud de Umchalug zwche he. Bepelhaf d de Bedguge für de Umchalug be akve ud pave Schalvorgäge vo deale leugelekroche Schaler der Abb..4 b Abb..7 dargeell. De Darellug ee Umrcher m Melwermodell baer dagege auf ko-

15 Eleug uerlche Glechuge, ehe Gl. (.3) ud Gl. (.4) für ee drephage Pulpaugwechelrcher, de zur Berechug m Raumvekore geege d, ähere dazu [Del]. u zk pwr u zk = v (.3) * { v } 3 = Re pwr (.4) 4 S u S D u D S ON u S = acve wch: off acve wch: o S OFF S = Dode ON u D = D < u D > Dode OFF D = Abb..4 Idealer akver Schaler Abb..5 Idealer paver Schaler S u S T u T acve wch: off & S > T < S ON S OFF Thyr ON Thyr OFF u S = u S < or acve wch: o S = u T = u T > & acve wch: o T = Abb..6 Idealer akver ud paver Schaler (IGBT m aparalleler Dode) Abb..7 Idealer akver ud paver Schaler (Thyror)

16 Eleug Epreched obge Bemerkuge d geegee mulave Umezuge für de jewelge pezfche Problemellug gewähl worde: akve Schaler für de Drehromeller Kapel 3, ee Kombao au pave Schaler für de Dodebrücke ud da Melwermodell für de Hochezeller m Ahag. (zugehörg zu Kapel 5), e deale Schalermodell für de Pulpaugwechelrcher m Ahag.3 (zu Kapel 6),.4 ud.5 (jewel zu Kapel 7) ud Kapel 8 ud e Melwermodell für de Wechelrcher m aoäre Zuad ud deale pave Schaler für de Dodebrücke m chaoäre Übergagvorgag m Fehlerfall m Ahag.8 (zu Kapel 9). Für de Berechuge m Kapel 4 war e aureched, ledglch Trajekore deale Leugkelefelder der WKA darzuelle. De Aychromache (ASM) wurde m Grudchwgugmodell achgeblde, gemäß de folgede Glechuge, ohe Berückchgug der mageche oder der Wrbelromverlue, ohe Nuugeffeke uw. ud m fee Parameer. Spaugglechuge: u = R + ψ& (.5) u r r r r r r r = R + ψ& (.6) Fluverkeugglechuge: h r ψ = L + L (.7) r r r h ψ = L + L (.8) Drehmomeeglechug: m ge { ψ } * 3 = p p Im (.9) Bewegugglechug: p ( m m ) p & γ& = ge l (.) J

17 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge. Überch De Kozepe vo WKA ka ma uer verchedee Gechpuke vergleche. I der folgede Überch geh e um Alage m Megawaberech, de. a. für de Nezparallelbereb vorgeehe d. Gegeüberelluge vo Wdkrafalageype oder auch ur vo Geeraore für WKA d vele Beräge zu fde [Hau], [He], [Ga], [Bur], [Rø], [Bau4], [Se], [eco]. Kozepe für WKA großer Leuge drehzahlfe drehzahlvarabel SM ASM ASM - pch m ellbare Roorwderäde pch all all pch SM ASM ASM m.. rooregem Umrcher m aoregem (doppelgepe) Umrcher (Vollumrcher) Abb.. Überch zu Kozepe für WKA De ezele Kozepe köe geerell daach uerchede werde, ob e m feer Drehzahl arbee (ohe Umrcher) oder m varabler ud da folglch m eem Umrcher augeae e müe. Zwchelöuge für WKA m ehr kleem Drehzahlbad d de hydrodyamche Kupplug be HSW ud Suzlo S64 oder für de m ewa größerem Drehzahlbad Wderäde m Roorkre (Vea z. B. V8.8, Suzlo S88). E weere Krerum de Ar der Flügel. Se köe fe a der Nabe agebrach e. Da wrk der Salleffek be höhere Wdgechwdgkee vo alle zur Leugbegrezug. Se köe aber auch um hre egee Ache drehbar e, o da de Leugbegrezug durch e akve de Wd drehe der Flügel gecheh, dem ogeae Pche. De Varae de avve all, be der der Flügel au dem Wd gedreh ud o der Salleffek herbegeführ wrd, oll her zu der Varae pch (Typ, egl.: pch o all) gereche werde, da e ch auch um ee akve Vorgag zur Leugbegrezug hadel. Normalerwee köe Sychromache (SM) ch ohe Umrcher am Nez berebe 3

18 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge werde, da de Gefahr de Außer-Tr-Falle be arke Böe (Polradwkel > 9 ) zu groß, e e de, da Wdroor ud Geeraor m eem hydrodyamchem Gerebe gekuppel d, z. B. be DeWd, o da de erforderlche Drehzahlelazä zwche Wdroor ud Geeraor ählch dem Schlupf der ASM chergeell. Um auf de ezele Varae äher ezugehe ud e zu vergleche, olle zuvor de Aforderuge aufgezeg werde, de beodere a de Geeraor, de Umrcher ud da Elekroeergeez geell werde. Dabe wrd zwche de Aforderuge au Nezch ud dee au Sch der WKA uerchede.. Aforderuge au Nezch De Aforderuge au Nezch werde für ee Ezelalage m Nezparallelbereb formuler, auch we klar, da heuzuage mehrere Ezelalage überweged Wdpark zuammegefa berebe werde. De Gewchug der Aforderuge uerleg dabe ege Veräderuge. Währed e vormal eher um Eflüe ezeler Alage m lokale Nezberech gg, rche ch der Focu heue zuehmed auf de Nezablä vo Regelzoe aufgrud de zewee hohe Ael a egepeer Wdeerge. Krere au der Sch de Neze: - glechmäßge Leugabgabe m Sekude- b Mueberech roz o Turmchaeeffek o Wdböe m Tella- ud Volllaberech - kee Überröme be o Zu- ud Abchalvorgäge o Umchalvorgäge o Volllabereb - be Nezhavare o Schere Abchale oder o Nezablerug (Schwor: Kurzchluleug, Faul-Rde-Trough) - be pezelle Aforderuge 4

19 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge o Bereellug vo Grudchwgugbldleug o Leugreduzerug - Ehalug vo Sromgrezwere o be ubharmoche ud ederfrequee harmoche Sromoberchwguge (5., 7.,. ) o be höher harmoche (pulfrequee) Sromaele Darüber hau ka auch de Ielezfähgke e Krerum e: - auoomer Bereb ezel oder m Verbud m adere WKA ud Egeerzeugugalage - cherer Übergag zwche Iel- ud Nezparallelbereb.3 Aforderuge au Sch der Wdkrafalage De Aforderuge a de WKA, de ch gegeeg beeflue ud de ch m Zuammehag m dem egeeze Typ ergebe, d m Folgede aufgeführ: - mechache Beapruchug aufgrud vo o Momepze am Geeraor ud Gerebe o Schwgeguge, Egefrequeze - ggf. darau reulerede Koe ud Dmeoerug vo o Gerebe u. a. mechache Kompoee (Gewch) o Geeraor o Umrcher - opmaler aerodyamcher Wrkuggrad - Geräuchewcklug - elekrche Verlue (Geeraor, Umrcher) - Aufwad zur chere Begrezug der vom Wdroor gewadele Leug - Robuhe (Selbchuz) der Kompoee be Telhavare (Aufall aderer Alagekompoee) oder Nezhavare (Schuzkozep z. B. m Crowbar) 5

20 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge - owe weere Aforderuge: Warugfreudlchke, Offhorefähgke, Lebedauer, Zuverlägke ud Exporfähgke (Klma, Trapor, Warug ).4 Verglech der Alageype Drehzahlfe Drehzahlvarabel Aforderuge au Nez-Sch ASM Sall Pch.. ASM m verellb. R r Pch Sall Pch DGASM 5. Drehzahlelach Vollumrcher (Vorüberlegug) 6. Glechmäßge Leugabgabe (gerger Flcker): Turmchaeeffek + + Böe be < P max + + Böe be P max Zu- ud Abchalvorgäge (Überröme) Umrcher- bzw. Kurzchluleug 5..7 P 5..7 P 5..7 P P f (AP) Faul Rde Trough (FRT) ( ) * Regelbarke I bld (co(φ)), m paver Kompeao Leugreduzerug ( ) Tab.. Verglech der Alageype ach Aforderuge au Nezch 6

21 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge Drehzahlfe Drehzahlvarabel Aforderuge au WKA-Sch ASM Sall Pch.. ASM m verellb. R r Pch Sall Pch DGASM 5. Drehzahlauweched Vollumrcher (Vorüberlegug) 6. Mechache Beapruchug aufgrud vo Momepze be Böe (+) Gewch & Koe vo Gerebe u. a. mechache Kompoee (Godel cl. Geeraor) (bem SG je ach Ar + + b ) + ( ) Umrcher ud -verlue / / Aerodyamcher Wrkuggrad (Drehzahlberech) Schere Begrezug der vom Wdroor gewadele Leug egelche Problem Selbchüzede Kompoee be Nezhavare (erforder mehr Aufwad) Srom- ud Momepze be Nezhavare + + Tab.. Verglech der Alageype ach Aforderuge Sch der WKA I de bede obe ehede Tabelle wurde de Alageype ahad der für e formulere Aforderuge gegeübergeell ud verefached bewere, ehe auch [Ga], [Bau4]. De Symbolk we folg zu verehe: + güg / pel kee Rolle + + ehr güg ( ) ur bedg auagefähg ugüg Verhale der Varae 6 oreer ehr ugüg ch a dem der Varae 5 7

22 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge De Bewerug der Egechafe der Alageype geerell chwerg, da e de Alage ch gb bzw. zuäzlch allere Kompoee de Egechafe ark beeflue. So z. B. ee DGASM m eem ledglch für ormale fehlerfree Nezparallelbereb augelege Umrcher be eem Nezkurzchlu gefährde ( * ). Er durch weere Maßahme we Efügug ee Bremchopper, ählch zu adere Idurearebe, eer Crowbar u. a. (ehe Kapel 9) e cherer Bereb be Nezhavare ud darüber hau e FRT-Bereb möglch. De Abgrezuge der Alageype gegeeader d auch ur bedg möglch, da zuäzlche Kompoee de Varaevelfal erhöhe ud da ezele Aforderuge mehr oder weger epreche köe. E Bepel de auch am Mark eablere Varae 3, ASM m elekroch eellbarem Roorwderad, dere Egechafe ee Mchug au dee drehzahlfeer ud drehzahlvarabler Alage. Dekbar wäre auch Alage m eem Umrcher kleerer Leug für de Tellaberech, um de beere aerodyamche Wrkuggrad für kleere Wdgechwdgkee zu uze. Be de drehzahlfee Alage komme auch polumchalbare ASM zum Eaz, de zwe fee Drehzahle erlaube, emal für de Sark- ud emal für de Schwachwdberech ud o zu eer Verbeerug de aerodyamche Wrkuggrade führe. Da Syem der DGASM ka m uere Drehzahlberech erweer werde, dem für de Saorwcklug ee Umchalug vo Dreeck auf Ser vorgeehe wrd [Ehr] oder durch Kurzchlu der Saorwcklug (be glechzeger Treug vom Nez) e Drehzahlberech b Null möglch. De Ewcklug der Wdkrafalageype ha ch de leze Jahre przpell vo de echologch efache ud koegüge Alage, dem ogeae däche Kozep m drehzahlfeer ASM ud Sallregelug (Sallalage), h zu de elekroechch komplexere heuge drehzahlvarable Alage, beehed au elekrcher Mache m Umrcher ud chwekbare Flügel, vollzoge..4. Gegeüberellug vo Sall- ud Pchalage Der Salleffek beeh eem Abreße der Srömug ab eem bemme Arömwkel γ am Flügel. Da eprch be eer fee Drehzahl f ro eer Wdgechwdgke v w oberhalb der Newdgechwdgke. 8

23 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge v u π R ro f ro ( ) γ = arca λ = arca = arca (.) v w v w Bem Pchareb, me m eem Areb pro Flügel, wrd be Bedarf über ee gergere Aellwkel de Flügel zum Wd h e verrgerer Aufreb bewrk. Der Srömugabr bem Sall verurach höhere rukurmechache Belauge a de Flügel ud am Arebrag, o da dee Kompoee be Sallalage edezell ärker augeleg werde müe. Dee Zerre a de Flügel auch Urache für ee erhöhe Geräuchewcklug. Weerh r da Abreße der Srömug zelch verzöger auf, o da de Momealeug kurzzeg erheblch über der Neleug lege ka. Da ggf. be der Aulegug der Umrcher für drehzahlvarable Sallalage zu beache. Alage m chwekbare Flügel habe weerh durch ee der Wdärke agepae Aellwkel ee lech erhöhe aerodyamche Wrkuggrad. Da weer obe cho bechrebee acve all-przp erhöh m Gegeaz zum Pche de Aellwkel, o da de m dem Salleffek verbudee Nachele auch her zum Trage komme. Der Vorel gegeüber dem Pche leg eer kleere Wegrecke bzw. Wkel, o da de Leugreduzerug bem acve all cheller erfolge ka oder aber der Pchareb (me e Umrcher) leugchwächer augeleg werde ka. Acve all wrd eleer egeez..4. Gegeüberellug vo drehzahlfee ud drehzahlvarable Alage Drehzahlvarable Alage gab e cho am Beg der Ewcklug vo WKA. Da e mlerwele ur och wege drehzahlfee Alage m obere Leugberech gb, leg a dem Haupvorel der drehzahlvarable: de gergere rukurmechache Belauge der Trebragkompoee be Wdböe folge gergerer Drehmomeeöße durch Auweche de Drehzahl. Da bedeue, da de Eerge der Böe m hre arke Leuggradee de roerede Mae zwchegepecher wrd. M größer werdeder Leug erhäl dee Egechaf au machebauechcher Sch e wachede Gewch ud echeded für de Wahl ee drehzahlvarable Syem. Für Beladalage gl de umo mehr, da durch de Oberflächerukur höhere Rauhgkee wrkam d, d. h. de Ieä der Böe ärker. Glechzeg wrd ee glechmäßgere Leugabgabe Nez errech ud Flckerercheuge aufgrud de Turm- 9

24 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge chaeeffeke prakch elmer. Gewch bzw. Koe für de mechache Kompoee we Gerebe köe om m Verglech zu de drehzahlfee Alage verrger werde, der Aufwad für de Umrcher dagege weder größer. Auch mu de afallede Schlupfleug be drehzahlfee Alage au dem Roor abgeführ werde, de z. B. be eer MW-Alage m % Schlupf kw aumach. Der Nechlupf be de große Alage epreched gerger. Da verchärf aber durch de gergere Nachgebgke de rukurmechache Belaug. E weerer Vorel der Drehzahlvarablä der erhöhe aerodyamche Wrkuggrad, verbude m eem höhere fazelle bzw. Ereerrag, da über ee wee Berech der Wdgechwdgke de Drehzahl m Mel proporoal m opmale Leugbewer mgeführ werde ka. Der für de Drehzahlvarablä owedge Eaz der Leugelekrok bedg m Verglech zu de drehzahlfee Alagekozepe weere Vorele. Ee Regelbarke der Nezleug (jedoch ur ee Verrgerug) durch de Umrcher prakch ohe Zeverzögerug möglch. Be de drehzahlfee Pchalage mu de Verellze zum Schweke de Flügel hzugereche werde. De e chere Begrezug der abzugebede Leug ud der maxmale Sromamplude auch be A- ud Abfahrvorgäge gegebe. Be de drehzahlfee Alage d me Thyrorchaluge zur Srombegrezug bem Echale der ASM ög (Schwor: Aufmageerug) m dem eprechede Nachel vo zewelge Sromoberchwguge we 5., 7. uw. Je ach Aulegug de Umrcher de Bereellug kapazver ud dukver Bldleug ud dam auch ee Nezablerug möglch. Przpell be Vorhadee eprecheder Regelugofware auch de Ielezfähgke gegebe. Demgegeüber köe drehzahlfee ASM be Nezpaugebrüche ach Abklge der Übergagvorgäge kee größere Ael mehr zum Kurzchlurom ud auch kee, bzw. ur bedg, Bldrom zur Nezpaugüzug lefer..4.3 Gegeüberellug der Varae ASM ud SM m Vollumrcher ud Doppelgepee Aychromache Be de drehzahlvarable Syeme werde gemäß Abb.. zwe Varae uerchede: - der ASM ud SM m Vollumrcher, d. h. eem Umrcher für de geame Geeraorleug (Varae 4) - ud der DGASM m eem Umrcher ledglch für de Roorleug (Varae 5).

25 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge Für de Varae 4 prch, da e o ee aubere Treug zwche dem Geeraor ud dem Nez gb. Da aber de Hereller ch überweged bher für de Varae 5 echede habe, leg u. a. a de gergere Koe ee Umrcher für ledglch ewa /3 der Neleug. Be Fehlerfälle m Nez ka ch be der Varae 4 der ezege Wechelrcher efach auchale oder übermm de Greze eer Aulegug, z. B. für de Nerom, Nezüzfukoe b zur vollädge Nezpaugwederkehr. Vom Geeraor ka m Nezfehlerfall je ach verblebeder Nezpaug kee oder ur och vermder Leug abgeomme werde, um de Zwchekrepaug ch zu gefährde. We de Geeraorleug ch chlagarg zu Null geregel oder de macheege Leugelekrok ch augechale werde ka, mu e gegebeefall vo eer eprechede Schuzchalug we eem Bremchopper aufgeomme werde. Im ugeregele Zuad (B6-Brücke owe be augechaleem Wechelrcher) mu ch be der ASM er der mageche Sreuflu ud be der SM de mageche Eerge der Saordukvä abbaue, bevor der (Wrk-) Srom m Zwchekre abklg. Be der Varae 5 droh dagege be Nezpaugebruch kurzzeg oder dauerhaf der Verlu der Regelfähgke bem macheege Wechelrcher ud e d, we cho kurz erwäh, och weere zuäzlche Maßahme zu dee Schuz ög, ehe Kapel 9. De höhere Verlue der Varae 4 eh e erhöher Drehzahlberech (heorech b Drehzahl Null) für de Schwachwdberech (höherer aerodyamcher Wrkuggrad) gegeüber. Für de Varae 5 für de uere Drehzahlberech ee Erweerug möglch. E wrd de Saorwcklug vo Ser auf Dreeck umgechale. Noch edrgere Drehzahle d be eer Treug de Saor vom Nez ud Bereb der ASM m kurzgechloeem Saor möglch. De m Verglech zur Neleug gergere Leug de Wechelrcher korrepoder dabe m der für de uere Drehzahlberech gergere Wdkrafleug. Be der Varae 4 pel e au Sch der her aufgezege Aforderuge eher ee uergeordee Rolle, ob ee ASM oder ee SM egeez wrd. I der Prax fad der Vergagehe haupächlch de hochpolge romerrege SM Verwedug (Eerco). Se ha de Vorel, da auf e Gerebe verzche werde ka. Be ASM gb e bher aufgrud hre gergere Lufpale kee hochpolge Auführug. M kede Pree für Permaemagee d dee für Aweduge mlerwele arakver geworde. Geeral Elecrc, Areva, Gamea (4,5 MW) ud Mulbrd (5 MW) eze permaeerrege SM m Gerebe ud Vollumrcher e. Vom Godelgewch her gb e be de SM-Kozepe m 5 MW-Berech ehr arke Uerchede. Da beräg be Mulbrd 3 gegeüber be

26 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge Eerco ca. 5 [Ga]. Seme Wd Power al derze größer Hereller für Offhore- WKA bevorzug de Varae 4 m ASM. Be Alage m SM für de macheege Umrcher owohl e Pulwechelrcher al auch ee ugeeuere 6-Pul-Dodebrücke (alerav auch m Thyrore ud daher abchalbar) m Hochezeller möglch. Ege der Aforderuge au Nezch, ehe Tab.., de für de drehzahlfee Alage egav bewere werde, relavere ch, geh ma ch vo Ezelalage au, oder vo hreched große Wdpark. So verrger ch de Auwrkuge der Flckerercheuge ezeler Alage je größer dere Zahl. Ee Auahme ka e Wdpark m baugleche Type vo Alage m ASM blde. Dor ka e zu eer Sychroao de Turmchaeeffeke komme. Werde Schalhadluge (Zu-, Ab- ud Umchaluge) drehzahlfeer Sallalage über ee zerale Wdparkeuerug e acheader vorgeomme, o d am Parkachlupuk de möglche Überröme der ezele Alage ur och weg oder gar ch releva. I eem Wdpark vo drehzahlfee Sallalage ka ma durch gezele Abchale ezeler für ch alle geomme ch regelbarer Alage ee Leugreduzerug grober Abufug vorehme..5 Zelelluge für de Arbe We bere dargeleg reulere verädere Aforderuge a de Eergewadler beehed au Geeraor ud Umrcher für WKA au hre Aweduge Offhore-Wdpark, au der Forderug ach verärker Nezüzfuko ud dem Tred kouerlch aegeder Ezel- ud Wdparkleuge. De Weerewcklug wrd vor allem durch Verbeeruge m Deal vorhadeer Varae bemm ud dem Herfrage vo Sae-of-he-Ar Kozepe. Aber auch de Berachug vo zurze uüblche Varae ee Zukufaufgabe. Neue oder verbeere echche Möglchkee ud verbude dam gügere ökoomche Kewere ergebe ch au der Verfügbarke euer Maerale ud Techologe, owe eue heoreche Erkee zur Seuerug ud zum Schuz. Iegral geehe köe zuküfg adere, cher erhöhe Aforderuge a WKA erfüll werde. De Techk für de Eergewadler eamm urprüglch dem Berech der elekrche Idure- ud Baharebe. Im Berech der Wdkraf mu de Ehe Geeraor-Umrcher m ädge Nezparallelbereb über Jahre hweg warugarm ud zuverläg berebe werde köe.

27 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge I Auwerug eer orgfälge Aalye de Sade der Techk zum elekroechche Tel moderer WKA habe ch de achfolged formulere Schwerpuke für de Zelellug der vorlegede Arbe ergebe. Ab Kapel 5 werde ch mch auf Frageelluge zur me geuze Varae m der DGASM bechräke. Bem Afahre der WKA uer arkem Wd de drehzahlfee Sallalage gegeüber der drehzahlfee Pchalage m Nachel, da de Wrkleug, de Nez abgegebe wrd, de Neleug überchree ka. Ebeo köe be dem Alageyp m polumchalbarer ASM bem Wechel vo der höhere auf de edrgere Geeraordrehzahl elekrche ud mechache Schwgugvorgäge aufree. E werde Kapel 3 Löuge vorgeell, m dee dee Nachele wegehed vermede werde köe. Drehzahlvarable Sallalage gb e bher der Prax ch. E beeh da Problem, da de egefagee Wdleug kurzzeg ark oberhalb der Neleug lege ud ch akv begrez werde ka ud demzufolge de Umrcherleug epreched größer zu wähle wäre. We ud uer welche Bedguge ud be welchem Arbepuk ee olche Berebwee dekbar ud ob e Alerave zu eer Überdmeoerug de Umrcher gb, oll Kapel 4 behadel werde. Der Sadardumrcher für de Varae m DGASM der gepule IGBT-Spaugwechelrcher. Ob e adere volle Umrcheropologe für dee Varae gb ud welche Vor- ud Nachele m he verbude d, oll Kapel 5 äher beleuche werde. Pulwechelrcher verurache Sromoberchwguge m Pulfrequez ud hrer Velfache. Ihre Amplude müe m eprechedem Fleraufwad zum Nez h begrez werde, um Nezrückwrkuge zu vermede ud vorgegebee Grezwere ezuhale. De eehede Spekre d abhägg vo de verwedee Modulaoverfahre ud de Arbepuke der Wechelrcher. Lae ch u bezüglch der Reduzerug der pulfrequee Sromoberchwguge gügere al de bher agewedee Modulaoverfahre fde, d. h. durch Sofwaremaßahme Eparuge be der Flerhardware erreche? We verhäl e ch m dem roorege Wechelrcher be der DGASM? Währed der ezege m aäherd koaem Taverhäl arbee überrech der roorege epreched der chlupfabhägge Roorpaugamplude ud -frequez 3

28 Kozepe für Wdkrafalage großer Leuge ee wee Arbeberech. Dee Frage olle ahad augewähler modfzerer Uerchwgugverfahre Kapel 6 ueruch werde. Flerkofguraoe für de pulfrequee Sröme köe uerchedlch geale werde. Welche Kofgurao erwe ch al güg? I Kapel 7 oll a eem kokree Bepel für de DGASM uer Berückchgug der Ergebe au Kapel 6 de Flerdmeoerug für augewähle Kofguraoe vorgeomme werde. Augehed vo der Leugdrehzahlkele der WKA lä ch der Berebberech für Spaug ud Srom der Wechelrcher ud de Geeraor be Verachlägug vo Sreuud Flerdukväe für de DGASM relav lech abchäze (Kapel 8). Ewurfglechuge, de auch Sreu- ud Flerdukväe berückchge, köe möglcherwee helfe, de Umfag öger Smulaoe zur Bemmug der Wechelrchergreze zu reduzere. Mel olcher Ewurfglechuge ka ma uer bemme Bedguge auch Verluabchäzuge de Halbleer de Wechelrcher arbepukabhägg vorehme. E ergebe ch darüber hau weere Möglchkee für ereerede Ueruchuge. Fehlerfälle m Nez führe zu beodere Belauge de Geeraor ud der Leugelekrok. Bede müe für dee Belauge augeleg werde. Dabe d Kofguraoe wüchewer, de dee beodere Belauge möglch gerg ud de Mehraufwad für de erforderlche Schuzechk Greze hale. Dee Schuzechk vollerwee auch für de FRT-Fähgke der WKA (evl. m gerger Erweerug) uzbar. I Kapel 9 olle dazu Überleguge für de Varae m DGASM ageell werde. 4

29 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug 3. Problembechrebug Wrd ee Aychromache m Kurzchluläufer drek a da Nez gechale, ree Überröme auf, de ewa dem füf- b ebefache Nerom epreche. Be Erreche der Sychrodrehzahl ud Aufbau de Mageerugrom k der Srom da weder ab. Bem Achlu vo Wdkrafalage ka de für ee gegebee Nezachlupuk zur Begrezug der Epeeleug führe. Für jede Wdkrafalageyp exer e k-fakor, der dem Verhäl vom maxmal aufreede Nezcherom zum Nerom eprch. De Achluleug eprch dem Produk au k-fakor ud Neleug (= maxmale Scheleug). Um ee k-fakor vo oder ahe zu erreche wrd der Echalvorgag vo drehzahlfee Alage dehalb üblcherwee m eem Thyror-Drehromeller (DSS) (Abb. 3.) vorgeomme, der de Nezrom b zum Erreche der volle Mageerug auf ee Newer begrez. Deoch ka e uer bemme Bedguge be Sallalage dazu komme, da der Nezrom achleßed och emal über ee Newer aeg we m Folgede bechrebe wrd. Im ch achleßede Abch oll auf Schwgugvorgäge egegage werde, de be Umchalvorgäge polumchalbarer ASM vo der chelle auf de lagame Geeraorufe vorkomme köe, ehe auch [Mru], [Pz], [Pz]. 5

30 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug 3. Ueruchug de Alaufverhale vo Sallalage Wd Speed Speed of Roao Corol U Curre Volage Gear Box IM Roor Toro Wave Gear U Squrrel-Cage Iduco Mache Three-Phae Swchg Devce ad Power-Facor Compeao Three-Phae Swchg Devce ad Load Reor Three-Phae Coverer (DSS) Traformer Grd Abb. 3. Przpchalbld Da Kozep zur Begrezug de Nezrome währed de Alaufvorgage, vo der Fa. Nordex paeer [Nor], der Abb. 3. dargeell. Der vo der Wdkraf agerebee Roor bechleug über e Gerebe de och vom Nez geree ASM b zur Ekoppelgechwdgke, ab der der DSS zugechale wrd. De ech paarwee aparallel gechalee Thyrore de DSS werde m eer Phaeacheuerug berebe. Der Züdwkel α (auf de Wereberech ormer) wrd m eem PI-Regler geblde, der al Sollwer de maxmale Nezcherom ha, Abb. 3.. oll - α Abb. 3. Regelug de Drehromeller (DSS) Sk der Nezcherom uer de maxmale Vorgabewer, o geh der PI-Regler de uere Begrezug (α = ) ud de Thyrore blebe durchgehed egechale. De Leug, de allgeregele WKA dem Wd eehme, ch regelbar ud auch ur bedg reduzerbar. Ledglch ee Schrägarömug Au dem Wd drehe de 6

31 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug Wdroor ka de maßgeblche Kompoee der Wdgechwdgke ud om de Leug reduzere. De dabe aufreede Querkräfe verurache da aber ch gewolle mechache Beapruchuge der WKA. Im Normalbereb eh de vom Roor aufgepae Fläche ekrech zum Wd. ω / ωe Züdwkel / e m / me I / I Im / Im M / M Züdwkel ω / ω [] m µ.wrk wrk m wd m w m ge α ω' ω ro ω ge Abb. 3.3 Üblcher Hochlaufvorgag be eer Wdgechwdgke vo 5 m/ Der mulere Hochlaufvorgag eer Alage be eer koae Wdgechwdgke oberhalb der Newdgechwdgke wrd Abb. 3.3 dargeell. Be Erreche vo ewa 9 % der Nedrehzahl wrd der DSS egechale ud der Nezcherom auf ee Newer geregel. I Höhe der Nedrehzahl ka ch der Mageerugrom µ aufbaue, der Scherom geh zurück ud der Züdwkel α de DSS ka zu Null gehe. De ASM ka e Mome ewckel ud de Mache ee aoäre AP übergehe. Um de rukurmechache Belauge, de vom Wdroor auf da Gerebe bzw. de geame WKA ewrke, zu vermder, WKA zwche Geeraor ud Wdroor auf 7

32 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug der lagam laufede Welle de Gerebe ee Torowelle agebrach. Dee chwgugfähge Srukur wurde durch e Zwemaemodell m de bede Maeräghemomee vo Geeraor J ge ud Roor J ro ud der Federefgke C w ud Dämpfug D w der Torowelle der Smulao berückchg, ehe Abb Im egechwugee Zuad d de auf de gleche Überezugee de Gerebe bezogee Drehzahle vo Roor ud Geeraor glech der Nezfrequez repekve zuzüglch de Schlupfe. mge Jge ω ge C' w D' w m' w J' ro ω' ro m' w Abb. 3.4 Erazchalbld de Trebrage m Torowelle Währed de Echwgvorgage ka e jedoch be höhere Wdgechwdgkee zu Abwechuge um ege Prozee zwche der Drehzahl der Geeraorwelle ud de Wdroor, bezoge auf de gleche Überezugee de Gerebe, komme, ehe Abb Ifolgedee überchree da Mome de Geeraor ud om auch der Scherom eem abklgede Schwgugvorgag b zum Erreche de aoäre Zuade hre Newere. Auf de Eaz de DSS mu u jedoch verzche werde, da o da öge Mome ch mehr ewckel werde ka, der Mageerugrom ch weder abbau, ee Reduko de Kppmomee folg ud de Mache kpp, über hre Nedrehzahl haugeh bzw. überdreh. Ee Varae, um deoch cherzuelle, da der Nezrom uerhalb de Newere bleb, beeh dar, Lawderäde parallel zur ASM zu chale. Se werde egechale, we der Züdwkel de DSS zu Null geh oder e bemmer Grezwer uerchre wrd, ehe Abb. 3. ud Abb De Echaldauer beräg ee Halbe b ee Perodedauer de obe bechrebee Echwgvorgage. Be höhere Wdgechwdgkee ka e owedg werde, de Echaldauer um ee Perode zu verläger. Uer der Aahme, da de Geeraordrehzahl be Erreche hre Newere koa gehale wrd, ergb ch de Schwgfrequez Abhäggke de Maeräghemomee de Wdroor J ro ud der Federefgke der Torowelle C w äherugwee zu: 8

33 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug C ω re = (3.) J ' w ' ro I deer Smulao werde de Parallelwderäde 3 Sufe be = e- ud be = augechale. We am Verlauf de Wrkaele m Nezrom.wrk zu erkee, werde de Parallelwderäde geaffel erhalb vo m zugechale. De Kapazäe zur Bldleugkompeao der ASM werde zuamme m de Wderäde egechale. ω / ωe Züdwkel / e m / me I / I Im / Im M / M Züdwkel ω / ω [] m m µ.wrk wrk m m wd m ge α ω' ω ro ω el ge Abb. 3.5 Hochlaufvorgag m parallele Lawderäde 3.3 Akve Schwgugdämpfug Vele drehzahlfee Wdkrafalage d m eer zwee Geeraorufe für de Schwachwdberech augeae. Dee Geeraorufe ha demepreched ee kleere Neleug ud wrd m eer höhere Polpaarzahl augeleg. So drehe de Flügel de gergere Wdgechwdgkee agepa lagamer ud der aerodyamche Wrkuggrad de Roor gegeüber der chell laufede Geeraorufe erhöh. Bem Umchale 9

34 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug vo der große auf de klee Geeraorufe wrd de Aychromache auf de u eue Nedrehzahl h abgebrem. Be Pchalage ka da Abbreme durch de Flügelverellug gechehe. Be Sallalage wrd da Bremmome m dem Geeraor erzeug. Da aürlche Verhale der ASM führ aber m überychroe Bereb m Berech de pove Gradee oberhalb de Kppmomee der Drehzahl-Drehmomee-Kele zu Schwguge. Jede Aregug de elekromechache Syem wrd m Se eer Mkopplug verärk. Da Aufchale der zwee Geeraorufe wrd weder mel de DSS realer, der de Nezrom auf ee fegelege maxmale Wer begrez (ählch dem Alaufvorgag). De Schwguge dee Übergag vo der große auf de klee Geeraorufe d Abb. 3.6 deulch zu ehe. Se hale b kurz vor Erreche der Nedrehzahl a. ω / ωe Züdwkel / e m / me I / I Im / Im M / M Züdwkel ω / ω m m µ.wrk wrk m m wd wd m ge ge α ω' ω ro ω el ge [] Abb. 3.6 Ugedämpfer Abbremvorgag auf de. Geeraorufe Aufgrud der gerge Wdgechwdgke be deem Vorgag (v w = 3 m/ der Smulao) de Mache m uere Tellaberech ahe dem laloe Zuad, d. h. da da Mome, wa vom Wd a de Flügel aez, rech gerg. Nur we da Mome, da de Mache ewckel, größer al da de Wde, ka e abgebrem werde. 3

35 3 Echalverhale der drehzahlfee Aychromache be Sallregelug Aderefall mu der Roor über mechache Breme auf de edrgere Drehzahl gebrach werde. oll + k - α ω' ro - + ω ge Abb. 3.7 Regelug de DSS m Sellgal zur Dämpfug vo Drehzahlchwguge Zur Bedämpfug der Schwguge ka währed der Regelphae de Nezrome dem Nezromollwer e Sellgal aufgechale werde. E proporoal zur Drehzahldfferez zwche der Geeraor- (ω ge ) ud der bezogee Wdroordrehzahl (ω ro ), ehe Abb Um dee Verfahre uze zu köe, ee Erfaug beder Drehzahle m eer aurechede Geaugke owedg. De mel dee Sellgal ch ergebede gedämpfe Kurveverläufe d Abb. 3.8 dargeell. ω / ωe Züdwkel / e m / me I / I Im / Im M / M Züdwkel ω / ω m µ wrk.wrk m wd m w m ge ge α ω' ω ro ω ge [] Abb. 3.8 Abbremvorgag der. Geeraorufe m akver Dämpfug 3

36 4 Drehzahlvarable Sallalage 4 Drehzahlvarable Sallalage 4. Kozep Drehzahlvarable Alage d zur chere Reduzerug der vom Wd a de WKA abgegebee Leug auchleßlch al Pchalage augeführ, ehe Kapel.4.. Se beöge m Gegeaz zu Sallalage jedoch zuäzlche Arebe für de Flügelverellug. Solle drehzahlvarable Alage m Sallflügel berebe werde, mu eweder der Umrcher ark überdmeoer werde oder aber e mu mdee kurzzeg möglch e, Leug über ee zuäzlche La abzuführe, um ee Regelbarke der WKA zu gewährlee. We ee olche Alage m Przp berebe werde ka, oll m Folgede gezeg werde. Wdroor aor de brakg reace Double-fed Iduco Geeraor Gear Box alerav o brakg reace: dc brake 3x R arg reace roor aor fler Puled Volage Coverer roor de ma de fler ma Ma roor de brakg reace peed Cloe o Coverer Corol Power_referece Overlad Power Corol Double-fed Iduco geeraor wh PWM Coverer Abb. 4. Drehzahlvarable WKA m zuäzlcher La für Sallbereb I Abb. 4. ee Varae für ee DGASM m zuäzlcher La dargeell. Auf der Rooree der ASM d zuäzlche Bremwderäde vorgeehe, de de abführbare Leug de Roor vergrößer. Soll de Nezleug auf de Neleug begrez blebe, d auch auf der Saoree Bremwderäde vorzuehe. Alerav wäre auch der Eaz eer Schebebreme oder eer adere geegee Breme auf der mechache Welle bzw. de Nuzug ud Modfzerug der au Scherhegrüde vorhadee Feellbreme dekbar. Ee ählche Kofgurao komm ggf. auch für Mache m Voll- 3

37 4 Drehzahlvarable Sallalage umrcher Berach. De zuäzlche Wderäde ud de Breme d owohl für de Leug al auch de Eerge, de e vorübergehed aufehme müe, auzulege. 4. Überlagere Leugregelug P cp op -peedcurve Cor. Phae : opmum p peed rao peed - Cor. Phae : peed regulao o mmum or maxmum P ma + P brake P ge P ge peed_ref (max, m) P wd - emao Cor. Phae 3: SAS Power Regulao P ge_ref P w P aoary ωw Block dagram of he power corol Abb. 4. Leugregelug eer allgeregele drehzahlvarable WKA De überlagere Leugregelug eer allgeregele drehzahlvarable WKA ka dre uerchedlche Phae egeel werde, ehe Abb. 4.. I der Phae wrd de Geeraorleug drehzahlabhägg epreched der Leug-Drehzahlkele (P w.op = f (ω )) für de opmale Leugbewer c p.op egeell, ehe Abb. 4.3 dor für Wdgechwdgkee v w zwche ca. 6 ud 9 m/. A de Drehzahlgreze wrd ee Drehzahlregelug wrkam (Phae ). Der Drehzahlregler ka al e Proporoal-Regler augeleg werde, o da ch ee Kele m eprechedem Gradee ergb, ehe blaue Kurve Abb Je gerger der Grade der Kele gewähl wrd, deo glechmäßger de vo der WKA da Nez egepee Leug. Be eem zu große Gradee äher ch da Verhale der WKA deer Phae dem eer drehzahlfee Alage a, wa der urprüglche Ieo eer drehzahlvarable WKA egegeeh. 33

38 4 Drehzahlvarable Sallalage Der krche Tel der Leugregelug wrd durch de Phae 3 repräeer. Wrd de Wdleug bzw. dere Melwer größer al de Neleug der WKA, für de. a. auch de Leugelekrok augeleg, mu de WKA uer Eaz der zuäzlche Wderäde geregel werde. Wäre de ch möglch, würde de Dfferez au Wdleug ud Geeraorleug de Wdroor bechleuge. Dam verbude be glechblebeder Wdgechwdgke ee weere Zuahme der Wdleug, da ch auch der Roorleugbewer c p vergrößer (ehe c p (λ)-kele, lker A der roe Kurve Abb. 4.4). De würde oberhalb eer bemme Grezdrehzahl zur Abchalug de Umrcher ud da zur Nobremug der Alage führe. 3 x 6 Corol Sraegy of Sall Aed Varable Speed Drve.5 Parameer vw : 6,8,,,5, m/ Pw.max vw.op.:9. m/ Phae 3 Roor power W.5 Pw.omal Phae Pw.op.5 Phae Phae Roaoal peed / Sychroou peed: omega' Abb. 4.3 Regelraege für ee drehzahlvarable Sallalage: zu regelde Leug der WKA m Leugkelefeld De vo der WKA abzuehmede Roorleug m Leugkelefeld Abb. 4.3 al blaue Kurve zu erkee. De chwarze Kurve elle de Wdleug am Wdroor Abhäggke vo dee bezogeer Gechwdgke ω ω ' = ω r y ud al Parameer der Wdgechwdgke v w dar. De Kurve m dem opmale Leugbewer P w.op verbde 34

39 4 Drehzahlvarable Sallalage de Maxma der Wdleugkurvechar. De je Drehzahl aufreede maxmale Wdleug m P w.max egezeche. Oberhalb der Neleug P e (= P omal ) d de Leuge da vo der Zuazla aufzuehme. Der Drehzahlberech her m +/-,5 ω y (ω =,75,5) ageomme. E gb przpell zwe Möglchkee zur Aulegug der ohmche Zuazla ud/oder mechache Breme (Dump load): Varae a: de Leug, für de e augeleg, ka e dauerhaf aufehme. Da wäre e o fezueze, da e plu der Neleug ewa größer al de be maxmaler Drehzahl aufreede maxmale Wdleug P w.max (ω =,5). De ezupeede Nezleug wäre da koa ud epräche der Neleug. M der Zuazla wrd de Drehzahl geregel. Beeh de Zuazla z. B. au Wderäde, de zwche Geeraor ud Nez ageorde d, zu beache, da auch der Geeraor für de erhöhe Leug augeleg wrd (Kühlug!). Varae b: de Leug, de e dauerhaf aufehme bzw. weder abgebe ka, kleer al de Dfferez au maxmaler Wdleug (be maxmaler Drehzahl) P w.max (ω =,5) ud Neleug. I deem Fall de Momealeug der Zuazla we größer al de Dfferez au maxmaler Wdleug ud Neleug auzulege, o da der Wdroor glechzeg auch och auf ee edrgere Drehzahl abgebrem werde ka. De dabe aufzuehmede Eerge: W Zuazla ( P P ) d + ( ) J ω ω = (4.) w e ro ro.max ro.ed behale auch de Roaoeerge de Wdroor, de bem Abbreme fre wrd. Al Eddrehzahl ω ed de Drehzahl fezueze, be der de Neleug P w.e glech der maxmale Wdleug P w.max, deem Bepel für ω ed be kapp,. Je höher de zur Verfügug ehede Leug der Zuazla, deo cheller wrd de Eddrehzahl ω ed errech ud deo kleer de aufzuehmede Eerge der Zuazla W Zuazla. Alerav al Kombao vo Varae a m Varae b wäre ω ed de Drehzahl, be der de maxmale Wdeerge P w.max glech der Summe au Neleug ud Dauerleug der Zuazla (u kleer al be Varae a). De bzw. de Varae b obger Regelraege Abb. 4.3 zu Grude geleg. 35