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    • 专利摘要:
    DieErfindung beschreibt eine Stromrichterschaltung für Windkraftanlagenzur Speisung einer Hochvoltgleichspannungsverbindung. Das System bestehtaus einem Transformator mit einer primärseitigen Wicklung je Phasesowie einer Mehrzahl von sekundärseitigenWicklungen je Phase. Jeweils drei dieser sekundärseitigen Wicklungen unterschiedlicherPhase sind mit einer Gleichrichterzelle (100) verbunden. Diese Gleichrichterzellensind untereinander mit ihren Ein- (154) und Ausgängen (152) miteinander verbunden.Die Gleichrichterzellen (100) selbst bestehen jeweils aus einemEingangsgleichrichter (110) und zwei in Reihe geschalteten Aufwärtswandlern (180,190), wobei die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Transformatorsmit den Mittelpunkten der Reihenschaltung der Aufwärtswandler(180, 190) verbunden ist.
    公开号:DE102004001478A1
    申请号:DE200410001478
    申请日:2004-01-09
    公开日:2005-08-11
    发明作者:Dejan Schreiber
    申请人:Semikron GmbH and Co KG；
    IPC主号:H02M7-19
    专利说明:
    [0001] DieErfindung beschreibt eine Stromrichterschaltungsanordnung zur Umformungeiner dreiphasigen Generatormittelspannung in eine Hochvoltgleichspannungfür denEinsatz als Wandler zwischen einem Generator mit dynamisch variierender Ausgangsleistungund einer Hochvoltgleichspannungsverbindung zu einem Wechselrichter.Derartige dynamisch variierende Ausgangsleistungen der Generatorentreten beispielhaft bei Windenergieanlagen auf. In der Anordnungmehrerer Windenergieanlagen zu so genannten Windparks werden nachdem Stand der Technik die einzelnen Windenergieanlagen mit einemgemeinsamen Wechselrichter, der zur Stromeinspeisung in ein Stromnetzdient, mit einer Hochvoltgleichspannungsverbindung verbunden.
    [0002] Nachdem Stand der Technik finden hierbei zur Stromerzeugung vorzugsweiseGeneratoren der Mittelspannungsklasse Verwendung. Die drei Phasender Ausgängedieser Generatoren sind mit einem Transformator verbunden, der dieMittelspannung in Hochspannung der Größenordnung 100000 Volt transformiert.Diese erzeugte Wechselspannung wird anschließend mittels eines Hochspannungsdiodengleichrichtersgleichgerichtet und in die Hochvoltgleichspannungsverbindung eingespeist.
    [0003] Eineweitere sehr moderne Ausgestaltung der Generatoren sowie eine allgemeineBeschreibung der oben genannten Anordnung von Windenergieanlagenwurde beispielhaft von F. Owman auf der Konferenz „Windpower2001", Juni, WashingtonD.C. vorgestellt. Die hierin vorgestellten Generatoren erzeugendirekt eine Hochvoltwechselspannung, wodurch auf einen nachgeschaltetenTransformator zur Erzeugung derselben verzichtet werden kann.
    [0004] Nachteiligam geschilderten Stand der Technik ist hierbei, dass naturgemäß die Ausgangsspannungender einzelnen Windkraftanlagen nicht identisch sind, da auch innerhalbeines Windparks zumindest geringfügig unterschiedliche Windgeschwindigkeitenan unterschiedlichen Orten vorherrschen und somit die Drehgeschwindigkeitenaller Rotoren und damit auch die Rotationsgeschwindigkeit allerGeneratoren nicht identisch sind. Dies hat zur Folge, dass die erzeugtenSpannungen zur Einspeisung in die Hochvoltgleichspannungsverbindungebenfalls nicht identisch sind. Um zumindest geringfügig unterschiedlicheDrehgeschwindigkeiten ausgleichen zu können werden als Generatorenvorzugsweise Synchronmaschinen eingesetzt, da diese Synchronmaschinenfremd erregt sind. Durch eine geeignete Anpassung der Erregung jedesGenerators könnenderen Rotationsgeschwindigkeiten aneinander angepasst werden. Damitist es möglichdie Ausgangsspannungen aller Windenergieanlagen eines Windparkskonstant zu halten und somit erst die Hochvoltgleichspannungsverbindungzu ermöglichen,wobei allerdings der Wirkungsgrad der Windkraftanlage reduziertwird. Ein Einsatz von permanent erregten Generatoren ist hier allerdingsnicht möglich,da hier die Einflussnahme auf deren Drehgeschwindigkeit durch dieFremderregung fehlt.
    [0005] Weiterhinnachteilig am beschriebenen Stand der Technik ist, dass im Gegensatzzu den in einem Windpark lokal unterschiedlichen Windgeschwindigkeitendie zeitlich unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten naturgemäß wesentlichstärker schwanken.Ein vollständigerAusgleich dieser Schwankungen, der zu einer zeitlich konstanten Spannungder Hochvoltgleichspannungsverbindung führt, ist nur beschränkt möglich.
    [0006] Größere Schwankungender Windgeschwindigkeit führensomit zwangsläufigzu einer mit der Zeit variierenden Spannung der Hochvoltgleichspannungsverbindung.Der aus der Hochvoltgleichspannungsverbindung gespeiste Wechselrichterist auf eine bestimmte Spannung dieser Hochvoltgleichspannungsverbindungausgelegt. Falls diese Sollspannung der maximalen Spannung der Hochvoltgleichspannungsverbindungentspricht, ergibt dies fürgenau diese Spannung eine sehr effektive Einspeisung in das Stromnetz.Allerdings wärein diesem Fall bei deutlich geringeren Windgeschwindigkeiten unddamit verbundenen deutlich geringeren Spannungswerten in der Hochvoltgleichspannungsverbindungdie Netzeinspeisung nicht mehr möglich.Daher wird der Wechselrichter nach dem Stand der Technik auf einegeringere, beispielsweise auf die halbe Spannung, als die maximaleSpannung der Hochvoltgleichspannungsverbindung ausgelegt. Bei dieser Auslegungsoll anderseits auch bei maximaler Spannung im Hochvoltgleichspannungsverbindungdie ins Netz abgegebenen Leistung den gleichen Wert erreichen, wiebei oben genannter Auslegung auf diese maximale Spannung. Somitmuss der auf geringere Spannung ausgelegte Wechselrichter überdimensioniertwerden im Vergleich zu einem Wechselrichters dimensioniert auf denMaximalwert. Daher ist bedingt durch die unterschiedlichen Spannungswertein der Hochvoltgleichspannungsverbindung eine für mehrere Betriebszustände, d.h.verschiedene Windgeschwindigkeiten, optimale Dimensionierung des Wechselrichtersnicht möglich.
    [0007] Ebensonachteilig am genannten Stand der Technik ist, dass bedingt durchden Hochspannungsdiodengleichrichter der Generatorstrom nicht sinusförmig istund daher der Generator bei gegebener Drehzahl nicht seine maximaleLeistung abgeben kann, was ebenfalls zu einem verminderten Wirkungsgradder Windkraftanlage führt.
    [0008] Bekanntist anderseits nach dem Stand der Technik beispielhaft in der US 5,625,545 offen gelegt einekaskadierte Anordnung von gleichartigen Zellen einer bestimmtenFunktionalität.Diese Druckschrift beschreibt einen Zweiquadranten AC-AC Antriebfür Wechselstrommotoren.Hierbei findet ein Transformator mit einer Mehrzahl von Sekundärwicklungen Anwendung.Diese Sekundärwicklungenspeisen kaskadierte Zellen mit einphasigem Wechselspannungsausgang.Diese Reihenschaltung der einzelnen Zellen dient der Spannungsvervielfachungin einem Zweig.
    [0009] Dievorliegende Erfindung hat die Aufgabe eine Stromrichterschaltungsanordnungzur Umformung einer Wechselspannung in eine Hochvoltgleichspannungvorzustellen, die den Einsatz von einer Mehrzahl von Generatorausführungenerlaubt, eine von der Generatordrehzahl unabhängige konstante Hochvoltgleichspannungerzeugt und annäherndsinusförmigeGeneratorströmeerzeugt.
    [0010] DieAufgabe wird gelöstdurch eine Stromrichterschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
    [0011] EineStromrichterschaltungsanordnung zur Umformung einer mehr- vorzugsweisedreiphasigen Generatorspannung, vorzugsweise im Mittelspannungsbereich,in eine Hochvoltgleichspannung der erfinderischen Art besteht ausfolgenden wesentlichen Komponenten: einem Transformator und einer Mehrzahlvon Gleichrichterzellen. Der Transformator besteht aus mindestenseiner primärseitigenWicklung je Phase sowie einer Mehrzahl von sekundärseitigenWicklungen je Phase. Jeweils drei dieser sekundärseitigen Wicklungen unterschiedlicherPhase sind mit einer Gleichrichterzelle verbunden. Die Ein- und Ausgänge dieserGleichrichterzellen sind miteinander derart verbunden, dass jeweilsder Ausgang einer Zelle mit dem Eingang der nächsten Zelle verbunden istund sich somit eine kaskadierte Reihenschaltung ergibt. Der Transformatorkann hier auch entfallen, falls an Stelle des Mittelspannungsgeneratorsein Hochspannungsgenerator eingesetzt wird, der die erforderlicheSpannung direkt an seinen Ausgängenzur Verfügungstellt.
    [0012] Eineerfindungsgemäße Gleichrichterzelle bestehtihrerseits aus einem Eingangsgleichrichter und zwei in Reihe geschaltetenAufwärtswandlern, wobeidie Mittelanzapfung der Sekundärwicklungdes Transformators mit den Mittelpunkten der Reihenschaltung derAufwärtswandlerverbunden ist
    [0013] Nachfolgendwird der erfinderische Gedanke anhand der 1 bis 4 beispielhafterläutert.
    [0014] 1 zeigteine Stromrichterschaltungsanordnung zur Erzeugung einer Netzspannungaus einer Mehrzahl von übereine Hochvoltgleichspannungsverbindung verbundenen Generatorausgängen nachdem Stand der Technik.
    [0015] 2 zeigteine Ausgestaltung einer Gleichrichterzelle einer erfindungsgemäßen Stromrichterschaltungsanordnung.
    [0016] 3 zeigteine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Stromrichterschaltungsanordnung.
    [0017] 4 zeigtin einer Simulation die durch eine erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnungerzeugte Generatorspannung einer und drei Phasen.
    [0018] 1 zeigteine Schaltungsanordnung zur Einspeisung der in einem Windpark erzeugtenEnergie in ein Stromnetz (62) bestehend aus einer Mehrzahlvon übereine Hochvoltgleichspannungsverbindung (70) verbundenenGeneratorausgängen(22) einzelner Windkraftanlagen nach dem Stand der Technik.Die jeweilige Windkraftanlage weist einen mittels eines Getriebesoder direkt mit dem Rotor (10) verbundenen Generator (20)auf. Nach dem Stand der Technik ist dies vorzugsweise ein fremderregter Mittelspannungs-Synchrongeneratorbeispielhaft der Spannungsklasse 3 × 4,18 kV. Die Ausgänge (22) des Generators(20) sind mit einem Transformator (30) verbundenund dessen Ausgänge(32) sind wiederum mit einem Hochspannungsdiodengleichrichter (40)verbunden. Diese Kombination aus Transformator (30) undHochspannungsdiodengleichrichter (40) erzeugt in den beidenLeitungen (72, 74) der Hochspannungsgleichstromverbindung(70) eine Gleichspannung von 2 × 140 kV, wobei deren Nullpunktgeerdet ist.
    [0019] DieAusgänge(42, 44) der Hochspannungsdiodengleichrichter(40) sind zueinander parallel geschaltet und bilden dieQuelle der Hochvoltgleichspannungsverbindung (70). Mittelsdieser Hochvoltgleichspannungsverbindung (70) wird dieEnergie der Windkraftanlagen übereine Strecke von mehreren Kilometern, beispielsweise im oft shoreBereich, zu einem füralle Windkraftanlagen gemeinsamen Wechselrichter (50) übertragen.Dieser Wechselrichter (50) ist mittels eines weiteren Transformators(60) mit dem zu speisenden Stromnetz (62) verbunden.
    [0020] 2 zeigteine Ausgestaltung einer Gleichrichterzelle (100) einererfindungsgemäßen Stromrichterschaltungsanordnung.Diese besteht aus drei Eingangsphasen, in denen jeweils eine Spule(150) angeordnet ist. Diese drei Eingangsphasen der Eingangswechselspannungwerden in einem nachgeordneten Dreiphasen-Brückengleichrichters (110)in eine Gleichspannung gewandelt. Zwischen die beiden Ausgängen desBrückengleichrichterist eine Reihenschaltung zweier Leistungshalbleiterschalter (122, 124),hier zweier IGBT (insulated gate bipolar transistor) mit jeweilseiner antiparallel geschalteten Diode (126, 128),geschaltet. Der positive Ausgang des Brückengleichrichters ist weiterhinmit der Anode einer Diode (132), der Ausgangsdiode, verbunden, derenKathode den Ausgang (152) der Gleichrichterzelle (100)bildet.
    [0021] Dernegative Ausgang des Brückengleichrichtersist mit der Kathode einer weiteren Diode (134), der Eingangsdiode,verbunden, deren Anode den Eingang (154) der Gleichrichterzelle(100) bildet. Weiterhin ist zwischen den Eingang (154)und den Ausgang (152) der Gleichrichterzelle (100)eine serielle Anordnung zweier Kondensatoren (142, 144)geschaltet.
    [0022] DieMittelanzapfung der drei Eingangsphasen ist mit dem Mittelpunktder beiden in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschalter (122, 124)und mit dem Mittelpunkt der beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren(142, 144) verbunden.
    [0023] DieseAnordnung der Leistungshalbleiterschalter (122, 124),der hierzu parallel geschalteten Dioden (126, 128),der Ein- (154) und Ausgangsdiode (152), der Kondensatoren(142, 144) und der Spulen (150) bildetzwei in Reihe geschaltete Aufwärtswandler.Die Spulen (150) könnenhierbei, wie dargestellt, in den Wechselspannungseingängen desDiodengleichrichters angeordnet sein. Alternativ kann eine ersteSpule des ersten Aufwärtswandlers(180) zwischen dem positiven Ausgang des Eingangsgleichrichters(110) und dem Kollektor des ersten Leistungshalbleiterschalters(122) angeordnet sein, sowie die zweite Spule des zweitenAufwärtswandlers(190) zwischen dem negativen Ausgang des Eingangsgleichrichters(110) und dem Emitter des zweiten Leistungshalbleiterschalters(124).
    [0024] AlsLeistungshalbleiterschalter (122, 124) können hierbeispielhaft IGCT (insulated gate commutated thyristors) oder vorzugsweiseIGBTs (insulated gate bipolar transistors) nach dem Stand der Technikangeordnet sein. Eine Verwendung von IGBTs mit einer Nennspannungvon 1700V würdeauf Grund ihrer Reihenschaltung (122, 124) undbekannter Dimensionierungsregeln eine Gleichspannung zwischen demEin- (154) und dem Ausgang (152) der Gleichrichterzelle(100) von mehr als 2400V erlauben.
    [0025] Dieentscheidende Funktionalitätder erfindungsgemäßen Gleichrichterzelle(100) liegt in der Wirkung der Aufwärtswandler (180, 190).Durch die vorgeschlagene Anordnung dieser Aufwärtswandler kann bei variierenderEingangsspannung und damit variierender Gleichgangsspannung am Ausgangdes Gleichrichters (110) eine konstant hohe Gleichspannungzwischen dem Eingang (154) und dem Ausgang (152)der Gleichrichterzelle (100) erzeugt werden.
    [0026] 3 zeigteine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Stromrichterschaltungsanordnung. Dargestelltist eine Windenergieanlage mit einem Rotor (10), der einenGenerator (20), hier beispielhaft einen Permanentmagnetsynchrongeneratorder Spannungsklasse 3 × 6.3kV,antreibt. Als Generatoren (20) können ebenso verschiedene weitereTypen von Drehstrommaschinen eingesetzt werden, beispielhaft fremderregte Synchronmaschinen.
    [0027] DerGenerator (20) erzeugt dreiphasigen Wechselstrom, der inseinem zeitlichen Verlauf sowohl in der Spannung als auch in derStromstärkeals auch in der Frequenz variiert. Die erzeugte Spannung in dendrei Phasen wird jeweils an die primärseitige Wicklung (210)eines Transformators (200) angelegt. Sekundärseitigweist dieser Transformator (200) je Phase eine Mehrzahlvon sekundärseitigen Wicklungen(220) auf. Jeweils drei sekundärseitige Wicklungen (220)unterschiedlicher Phase bilden die Eingangswechselspannung der Gleichrichterzellen (100).
    [0028] DieseGleichrichterzellen (100) sind derart in Reihe geschaltet,dass jeweils der Eingang (154) einer Gleichrichterzelle(100) mit dem Ausgang (152) der nächsten Gleichrichterzelle(100) verbunden ist. Der Mittelpunkt dieser Reihenschaltungliegt hierbei auf Erdpotential (74) um eine Ausgangsspannung von2 × 140kVzu erzeugen. Abhängigvon den Spannungsklassen der Kondensatoren (140) und derLeistungshalbleiterbauelemente, also den Leistungshalbleiterschaltern(122, 124) und den Dioden (112, 126, 132, 134),ist hierzu eine Mehrzahl von Gleichrichterzellen (100)in Reihe angeordnet.
    [0029] Mittelsdieser erfindungsgemäßen Stromrichterschaltungsanordnungkann die Spannung der Hochvoltgleichspannungsverbindung (70) über einen Bereichvon einem Zehntel bis zur vollen Ausgangsspannung der Generatoren(20) immer konstant gehalten werden. Somit kann die erzeugteEnergie aus den wesentlichen Anteilen der auftretenden Windgeschwindigkeitenan den einzelnen Windenergieanlagen in einem Windpark mittels einesder Hochvoltgleichspannungsverbindung (70) nachgeordneten Wechselrichtersin ein Stromnetz eingespeist werden.
    [0030] 4 zeigtin einer Simulation die durch eine erfindungsgemäße Stromrichterschaltung erzeugte Generatorspannungin beliebigen Einheiten von einer bzw. drei Phasen. Dargestelltist im oberen Teil der 4 der zeitliche Spannungsverlaufin einer Phase des Generators, im unteren Teil der Spannungsverlaufaller drei Phasen des Generators. Mit Ausnahme der Nulldurchgänge wirddieser zeitliche Verlauf durch die erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnungeinem wünschenswertensinusförmigenVerlauf angeglichen. Nur bei annähernd sinusförmigem Generatorspannungsverlaufkann der Generator seine maximale Leistung abgeben. Somit kann durchdie vorgestellte Stromrichterschaltungsanordnung die Effizienz derWindkraftanlagen erhöht werden.
    [0031] Durchdie erfindungsgemäße Stromrichterschaltungsanordnungkann das Drehmoment des Generators geregelt und angepasst werden,so dass in einem weiten Bereich verschiedener Windgeschwindigkeitenimmer die maximale Leistung des Generators zur Verfügung steht.Dies erhöhtim Vergleich zum Stand der Technik den Wirkungsgrad einer Windkraftanlageum mindestens 10%.
    权利要求:
    Claims (7)
    [1] Stromrichterschaltungsanordnung zur Umformungeiner mehrphasigen Generatorspannung in eine Hochvoltgleichspannungbestehend aus einem Transformator (200) mit mindestenseiner primärseitigenWicklung (210) je Phase sowie einer Mehrzahl von sekundärseitigenWicklungen (220) je Phase, wobei jeweils die sekundärseitigenWicklungen (220) unterschiedlicher Phase mit einer Gleichrichterzelle (100)und diese Gleichrichterzellen mit ihren Ein- (154) undAusgängen(152) miteinander verbunden sind, wobei die Gleichrichterzellen(100) jeweils aus einem Eingangsgleichrichter (110)und zwei in Reihe geschalteten Aufwärtswandlern (180, 190)bestehen und die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung (220) desTransformators (200) mit den Mittelpunkten der Reihenschaltungder Aufwärtswandlerverbunden ist.
    [2] Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 1,wobei der Eingangsgleichrichter (110) ein dreiphasigerDiodengleichrichter ist.
    [3] Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 1,wobei jeder Aufwärtswandleraus einem Leistungshalbleiterschalter (122, 124)mit antiparallel dazu geschalteter Diode (126, 128)mindestens einer Spule (150), einer Diode (132, 134)und einem Kondensator (142, 144) besteht.
    [4] Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 1,wobei die Reihenschaltung der Aufwärtswandler ausgestaltet istals eine Reihenschaltung zweier Leistungshalbleiterschalter (122, 124)mit jeweils antiparallel dazu geschalteter Diode (126, 128)mindestens zwei Spulen (150), einer Reihenschaltung vonKondensatoren (142, 144) sowie jeweils einer Diode(154) am Eingang und einer Diode (152) am Ausgangder Gleichrichterzelle (100), wobei der Kollektordes ersten Leistungshalbleiterschalters (122) mit dem positivenAusgang des Eingangsgleichrichters (110) und der Emitterdes zweiten Leistungshalbleiterschalters (124) mit demnegativen Ausgang des Eingangsgleichrichters (110) verbundenist, die Anode der Ausgangsdiode (132) mit dem Kollektordes ersten Leistungshalbleiterschalters (122) und dem positivenAusgang des Eingangsgleichrichters (110), die Kathode mitdem ersten Kondensator (142) und dem Ausgang (152)der Gleichrichterzelle (100) verbunden ist die Kathodeder Eingangsdiode (134) mit dem Emitter des zweiten Leistungshalbleiterschalters(124) und dem negativen Ausgang des Eingangsgleichrichters(110), die Anode mit dem zweiten Kondensator (144)und dem Eingang der Gleichrichterzelle (110) verbundenist und die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung (220) desTransformators (200) mit dem Mittelpunkt der Reihenschaltungder Leistungshalbleiterschalter (122, 124) unddem Mittelpunkt der Reihenschaltung der Kondensatoren (142, 144)verbunden ist.
    [5] Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 1,wobei die Spule des ersten Aufwärtswandlers(180) zwischen dem positiven Ausgang des Eingangsgleichrichters(110) und dem Kollektor des ersten Leistungshalbleiterschalters(122) angeordnet ist und die Spule des zweiten Aufwärtswandlers(190) zwischen dem negativen Ausgang des Eingangsgleichrichters(110) und dem Emitter des zweiten Leistungshalbleiterschalters(124) angeordnet ist.
    [6] Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 1,wobei die Spulen (150) der Aufwärtswandler (180, 190)in den Wechselspannungseingängen desGleichrichters (110) angeordnet sind.
    [7] Stromrichterschaltungsanordnung nach Anspruch 1,wobei die Leistungshalbleiterschalter (122, 124)IGBTs (insulated gate bipolar transistors), oder IGCT (insulatedgate commutated thyristors) sind.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    2005-10-13| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: SEMIKRON ELEKTRONIK GMBH & CO. KG, 90431 NüRNBERG, |
    2012-02-15| R016| Response to examination communication|
    2015-07-10| R016| Response to examination communication|
    2015-07-31| R018| Grant decision by examination section/examining division|
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    2018-08-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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