Beitrag zur Entwicklung leistungselektronischen Komponenten für Windkraftanlagen

Development of Power Electronics converter topologies and control concepts for Wind turbines173 pages, 163 figures, 72 reference literatures Technical University Ilmenau, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology, Dissertation, 2008This thesis deals over certain selective problems occurring in the wind turbine, more specific to electrical energy conversion using generator and converter.The fixed speed stall controlled wind turbines generally inject more current over and above the rated current during the starting phase under strong wind conditions. A developed patented concept illustrates the use of parallel load resistors under such conditions, to reduce the total current delivered to grid and to bring its magnitude within the rated current range. By switching from a faster to a slower speed steps, the pole changeable generators can deal with electrical oscillations through control of anti parallel thyristor bridge.The basic working concept of variable speed stall controlled wind turbine is illustrated in this work. The choice of the operating point on the power curve of the wind turbine determines the generator speed range and therefore, this necessitates the over dimensioning of converter or alternative loads, to consume extra power and energy of the wind rotor.Furthermore, the several converter topologies (PWM based voltage and current converter, boost and buck converter and diode bridge) for the doubly fed induction generator (DFIG) are compared with each other. For the case of rotor side diode bridge with boost converter, a simulation based result shows that the torque can be regulated at a constant value by the boost converter. In doing so, however the induction generator draws harmonics currents, which is needed to be compensated by the grid side converter.For the sine triangle modulation, various offset functions were chosen and there corresponding pulse frequency spectrum was analyzed. During this analysis, one newer insight comes to light, that on selective phase shifting of the modulating triangle wave of the rotor side inverter with respect to the grid side inverter modulation of DFIG, one can compensate a part of the current harmonics. Various configurations of the switching ripple filter were designed.Detailed design equations were formulated for the DFIG - inverters, taking into account the stray inductance of the generator and the filter inductance of the grid side inverter. With these equations, the various portions of power losses of the semiconductor devices for a given operating point were calculated assuming maximum junction temperature.Finally, various configurations of the protection concept for the generator and DFIG-inverter against the stator/grid side voltage dips are proposed. For certain worst case conditions, critical maximum current and torque limits were estimated.In this thesis, a 2.5 MW-prototype wind turbine with DFIG and field oriented control strategy is briefly illustrated.Die Arbeit beschäftigt sich mit ausgewählten Problemen von Windkraftanlagen (WKA), die den elektrischen Energiewandler bestehend aus Generator und Umrichter betreffen.Drehzahlfeste Stallanlagen speisen bei einem Anlaufvorgang mit starkem Wind den Netzstrom oberhalb des Nennwertes ins Netz. Es konnte mit einem patentierten Verfahren gezeigt werden, dass durch Nutzung eines parallelen Lastwiderstandes dieser Strom unterhalb des Nennwertes gehalten werden kann. Bei Abbremsvorgängen von der schnelleren auf die langsamere Drehzahlstufe polumschaltbarer Generatoren können elektrische Schwingungen mittels regelungstechnischen Eingriffs über einen Drehstromsteller vermieden werden.Es werden Ansätze, wie der Betrieb einer drehzahlvariablen Stallanlage aussehen kann, besprochen. Die Wahl der Arbeitspunkte im Leistungskennlinienfeld der WKA bestimmt den Drehzahlbereich der Anlage und die davon abhängige notwendige Überdimensionierung des Umrichters oder alternativer Lasten zur Leistungs- und Energieaufnahme.Des Weiteren werden verschiedene Umrichtertopologien (gepulster Spannungs- und Stromwechselrichter, Hoch- und Tiefsetzsteller sowie Diodenbrücke) für die Doppeltgespeiste Asynchronmaschine (DGASM) miteinander verglichen. Für die Variante rotorseitige Diodenbrücke mit Hochsetzsteller wird simulativ gezeigt, dass das Drehmoment mit dem Hochsetzsteller auf konstante Werte geregelt werden kann. Dabei wird die Asynchronmaschine jedoch mit starken Stromoberschwingungen belastet, die vom netzseitigen Wechselrichter ausgeglichen werden müssen.Für das Unterschwingungsverfahren werden ausgewählte Offsetfunktionen in Bezug auf die entstehenden pulsfrequenten Spektren untersucht. Eine neue Erkenntnis liegt insbesondere darin, dass durch ein gezieltes Verschieben der Phasenlage des Trägersignals von netz- zu maschinenseitigem Wechselrichter der DGASM der Oberschwingungsanteil des Netzstromes mit doppelter Pulsfrequenz verringert werden kann. Verschiedene Konfigurationen des Pulsfrequenzfilters werden ausgelegt.Detaillierte Entwurfsgleichungen für die Wechselrichter der DGASM unter Berücksichtigung der Streuinduktivität des Generators und der Filterinduktivität des netzseitigen Wechselrichters werden vorgestellt. Mit diesen Gleichungen werden ausgehend von den Parametern bei maximaler Sperrschichttemperatur der Halbleiter deren Verlustleistungsanteile arbeitspunktabhängig ermittelt.Schließlich werden Konfigurationen des Schutzkonzeptes von Generator und Umrichter der DGASM bei Stator- bzw. Netzspannungseinbrüchen vorgestellt. Für einige Worst-Case-Annahmen werden kritische maximale Strom- und Drehmomentbelastungen bestimmt.Es wird kurz eine 2,5 MW-Versuchsanlage mit DGASM und feldorientierter Regelung vorgestellt