Neue Generatoranordnung mit der doppelt gespeisten Asynchronmaschine für besseres Verhalten beim Durchfahren von Netzfehlern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im DFG-Projekt wurde das im Projektantrag formulierte Ziel, Realisierung einer neuartigen Generatoranordnung in einem Versuchsstand und Nachweis des unkritischen Durchfahrens von Netzfehlern erreicht. Jedoch mussten bis zum Erreichen dieses Zieles drei technische Teilaufgaben bearbeitet werden. Diese betrafen den Aufbau des HDMU und den dazugehörigen Versuchsstand, die Entwicklung eines angepassten Verfahrens zu gestaffelten Kommutierung des ACCs sowie die Entwicklung des Regelungsverfahrens für HDMU und DASM. Um den experimentellen Nachweis der Funktionsfähigkeit der neu vorgeschlagenen Generatoranordnung und der entwickelten Steuerungs- und Regelungsverfahren durchführen zu können, musste der HDMU mit DMU und ACC in einem kompakten Leistungsteil in Eigenarbeit entworfen und der Werkstatt des Instituts hergestellt werden. Neben der Tatsache, dass solch ein Umrichter nicht kommerziell verfügbar ist, führte dies zu dem großen Vorteil, dass gleichzeitig eine für direkte Umrichter neue Messmethode zur genauen Bestimmung des Kommutierungsstromes implementiert werden konnte. Das ist die UCE-Messung, die in Vorarbeiten bereits für 2-Levelumrichter etabliert wurde. Die für den ACC entwickelten 1- und 2/4-Schrittkommutierungsverfahren stellen eine sichere Stromkommutierung des ACC sicher. Beide Verfahren wurden untersucht und publiziert. Mit Hilfe der Stromvorzeichenerkennung mittels UCE-Messung können selbst bei unbekannter Kommutierungsspannung und beliebig kleinem Kommutierungsstrom sichere Schaltzustandswechsel durchgeführt werden, was speziell für den ACC essenziell ist. Gleichzeitig konnte bei dem 2/4-Schrittkommutierungsverfahren mittels des Verfahrens zur Kompensation der Verriegelungszeit der Oberschwingungsgehalt des Netzstromes aufgrund des Totzeiteffektes wirkungsvoll verringert werden. Somit ist das 2/4-Schrittkommutierungsverfahren dem 1-Schrittkommutierungsverfahren vorzuziehen. Denn durch die verlängerten Ausschaltzeiten der IGBTs bei niedrigem Kommutierungsstrom verschlechtert sich der THD-Wert des 1-Schrittkommutierungsverfahrens. Das 2/4-Schrittkommutierungsverfahren mit der Kompensation des Totzeiteffektes wurde ebenso auf den DMU angewendet. Es wurde ein Regelungsverfahren des HDMU als Vollumrichter entwickelt, das die konventionelle feldorientierte Regelung der Käfigläufer-Asynchronmaschine einzusetzen gestattet. Gleichzeitig ermöglicht der ACC zusammen mit den Elementen des LC-Filters das Hochsetzen der Eingangsspannung des DMU auf einen Wert größer als die Netzspannung, wenn es notwendig ist. Somit ist eine Ausgangsspannung größer als die Netzspannung erreichbar. Wegen des Funktionsprinzips des ACCs kann die Resonanz des netzseitigen LC-Filters nicht passiv durch das Einfügen eines zur Drossel parallelgeschalteten Widerstandes gedämpft werden. Das bedeutet, dass die Stabilisierung von Drosselstrom und Kondensatorspannung durch das Regelungsverfahren gewährleistet sein muss. Dies gelingt durch ein aktives Dämpfungsverfahren, wenn der ACC inaktiv ist, d. h. sich nicht im Pulsbetrieb befindet. Im Falle des Hochsetzbetriebes wird die Stabilisierung des LC-Filters durch die kaskadierte Regelung von Kondensatorspannung und Drosselstrom sichergestellt. Basierend auf das Regelungsverfahren des HDMU als Vollumrichter wurde die Regelung der neuen Generatoranordnung mit der doppeltgespeisten Asynchronmaschine entwickelt. Der HDMU speist als Teilumrichter den Rotorkreis während die Statorklemmen mit den Kondensatoren des LC-Filters verbunden sind. Das ermöglicht ein Durchfahren von Netzspannungseinbrüchen, ohne dass Überspannungen und Überströme im Rotorkreis zu erwarten sind. Jedoch führte diese Verschaltung zu einer Wechselwirkung zwischen Rotorleistung, Statorspannung und Statorflussverkettung. Folge war ein steigender Gleichanteil der Statorflussverkettung bis die dadurch in den Rotor induzierte Spannung die maximale Ausgangsspannung des HDMU überstieg und das System nicht mehr stabil regelbar war. Der Effekt trat insbesondere dann auf, wenn der ACC sich im Pulsbetrieb befand. Dem Effekt konnte durch Unterdrückung des Gleichanteils der Statorflussverkettung entgegengewirkt werden. Eine mögliche Anwendung der neuen Generatoranordnung mit Herstellern von direkten Matrixumrichtern wie Yaskawa und Danfoss oder mit Produzenten von WKAs wie Nordex oder Vestas wurde bisher nicht evaluiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Schutzschaltung für eine Stromgeneratoranordnung“. DE 10 2014 107 043 A1 2015.11.19
Remus, N.
- „One-Step Commutation Approach for Direct Converters Based on UCE-Measurement”, European Power Electronics Conference, EPE 2017, pp. 10, 2017
Remus, N.; Leubner, M.; Köthe, K.; Hofmann, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.23919/EPE17ECCEEurope.2017.8099230) - „Control of buck-boost direct matrix converter with low voltage ride-through capability”, International Power Electronics Conference - IPEC 2018, Niigata, Japan, S. 3243 - 3250, 2018
Remus, N.; Leubner, M.; Hofmann, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.23919/IPEC.2018.8507482) - „Dead-Time Compensation Method Based on UCE- Measurement for Direct Converters”, 10th IEEE Energy Conversion Congress & Expo - ECCE 2018, Portland, Oregon, USA, S. 576 - 583, 2018
Remus, N.; Leubner, M.; Hofmann, W.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ECCE.2018.8557904)
