Beitrag zur Entwicklung leistungselektronischer Komponenten Windkraftanlagen DISSERTATION

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1 Beitrag zur Entwicklung leistungselektronischer Komponenten Windkraftanlagen DISSERTATION Zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieur (Dr.-Ing.) der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Ilmenau vorgelegt von Dipl.-Ing. Uwe Rädel Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Petzoldt, TU Ilmenau Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Herold, Universität Erlangen-Nürnberg Dr.-Ing. Torsten Schutt, Wind to Energy GmbH Tag der wissenschaftlichen Aussprache: urn:nbn:de:gbv:üml

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Überblick Physikalische Grundlagen zur Windkraft Simulationsmethodik 10 2 Konzepte für Windkraftanlagen großer Leistungen Übersicht Anforderungen aus Netzsicht Anforderungen aus Sicht der Windkraftanlage Vergleich der Anlagentypen Gegenüberstellung von Stall- und Pitchanlagen Gegenüberstellung von drehzahlfesten und drehzahlvariablen Anlagen Gegenüberstellung der Varianten ASM und SM mit Vollumrichter und Doppeltgespeiste Asynchronmaschine Zielstellungen für die Arbeit 22 3 Einschaltverhalten der drehzahlfesten Asynchronmaschine bei Stallregelung Problembeschreibung Untersuchung des Anlaufverhaltens von Stallanlagen Aktive Schwingungsdämpfung 29 4 Drehzahlvariable Stallanlage Konzept Überlagerte Leistungsregelung Simulation der überlagerten Regelung Anmerkungen 38 1

3 5 Topologien für rotorseitige Umrichter Vergleich von gepulstem Spannungswechselrichter mit gepulstem Stromwechselrichter Vergleich des Drehzahlbereiches zwischen über-/untersynchroner und nur untersynchroner Betriebsweise Topologienvergleich Variante 1: Gepulste Spannungswechselrichter Variante 2: Gepulste Stromwechselrichter Variante 3: Rotorseitig gepulster Stromwechselrichter mit Hochsetzsteller Variante 4: Gepulste Spannungswechselrichter mit Hoch- und Tiefsetzsteller Variante 5: Rotorseitige Sechspulsdiodenbrücke mit Hochsetzsteller Variante 6: Rotorseitige Parallelschaltung von Spannungswechselrichter und Diodenbrücke Variante 7: Netzseitige Diodenbrücke und rotorseitiger Spannungswechselrichter Fazit 53 6 Modulationsverfahren Entstehung von pulsfrequenten Stromoberschwingungen Herleitung des Spannungsspektrums Vergleich sinusförmiger Offsetfunktionen Vergleich mit stochastischer Offsetfunktion Besonderheiten bei der Doppeltgespeisten Asynchronmaschine 67 7 Filter für die Doppeltgespeiste Asynchronmaschine Sinusfilter Netz-und Transformatorimpedanz Netzstromgrenzwerte für Oberschwingungen 78 2

4 7.4 Filterkonfiguration Wahl der Pulsfrequenz Filterübertragungsfunktion Parameterbestimmung Einfluss des maschinenseitigen Wechselrichters Stromrippel durch den maschinenseitigen Wechselrichter Resultierende pulsfrequente Seitenbänder der Wechselrichterausgangsspannung 85 8 Dimensionierung der Stromrichter für die Doppeltgespeiste Asynchronmaschine Leistungskurven, idealisierte Stromkurven und Aussteuerungsgrade Detailiertere Bestimmung von Strömen und Spannungen Aufteilung des Wechselrichterstromes auf Dioden und IGBT Bestimmung der Verlustleistungen der Wechselrichter 95 9 Schutzkonzept Problematik Schaltungsvarianten Fehlerfallsimulationen Versuchsanlage Aufbau Regelstruktur der ASM Ausgewählte Strom-und Spannungsverläufe Zusammenfassung und Ausblick Bewertung der Ergebnisse Benennung zukünftiger Aufgaben 110 3

5 12 Anhang Simulation der Doppeltgespeisten Asynchronmaschine mit Diodenbrücke und Hochsetzsteller Bestimmung einer Modulationsiunktion mit drei- und neunfachem Sinus Simulation der Ansteuerung der Wechselrichter mit zeitversetztem Sägezahnsignal Bestimmung der Rippel im Strom durch die Filterinduktivität Simulationsergebnisse zu den Stromoberschwingungen am netzseitigen Filter Gleichungen zur Stromrichterdimensionierung Vereinfachte Gleichungen der Doppeltgespeisten Asynchronmaschine Detailliertere Berechnungen der Arbeitspunkte Gleichungen zur Stromaufteilung des Phasenstromes auf Diode und IGBT am Wechselrichter Variation des Leistungsfaktors und der Netzspannung Fehlerfallsimulationen zur Doppeltgespeisten Asynchronmaschine bei Netzspannungseinbruch Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen und Formelzeichen Literaturverzeichnis 167 4